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哈佛大学刘嘉教授团队 Nat. Nanotech.: 基于氟化弹性体的3D时空可扩展活体神经探针

时间：2023-12-26 来源：浏览：

哈佛大学刘嘉教授团队 Nat. Nanotech.: 基于氟化弹性体的3D时空可扩展活体神经探针

化学与材料科学

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在较大空间和时间尺度上，用于记录神经系统中神经活动的电子设备是可扩展的，同时还提供毫秒和单细胞时空分辨率。然而，由于传感器密度和机械灵活性之间的权衡，现有的高分辨率神经记录设备无法在空间和时间水平上同时实现可扩展性。以单神经元分辨率长时间（数月至数年）、跨大量神经元群（数百至数千）稳定记录大脑活动对于神经科学、医疗应用和脑机接口至关重要。然而，实现大时空尺度的神经接口仍然具有挑战性：人体对神经探针的免疫反应可能会很严重，探针可能会偏离所需的位置，接口电子设备的性能也可能会下降。一方面，虽然由硅制成的刚性探针可以同时捕捉成百上千个神经元的活动，但由于异物反应和植入物在大脑中的漂移，其稳定性会随着时间的推移而降低。另一方面，由薄膜塑料制成的柔性探针可在数月内稳定跟踪神经元活动，但在设计上受到限制，因为只有刚性材料才能用于纳米制造，这就要求探针必须非常薄。要解决这一问题，就必须在脑-电子接口技术方面进行创新，即从材料科学、微加工、电气和机械工程以及生物工程的角度进行协同，为高密度、长寿命的神经探针铺平道路。

2023年12月22日， 美国哈佛大学刘嘉助理教授团队 在 Nature Nanotechnology 上以“ 3 D spatiotemporally scalable in vivo neural probes based on fluorinated elastomers ”为题发表论文，介绍了一种基于全氟介电弹性体和组织级软多层电极的三维堆叠可植入电子平台，在神经系统中实现了时空可扩展的单细胞神经电生理学。在生理溶液中，这种弹性体表现出了超过一年的稳定介电性能，并且比传统塑料电介质软10,000倍。

利用这些独特的特性，还开发了3D配置的光刻纳米厚电极阵列封装，其横截面密度为每100µm2 7.6个电极。由此产生的3D集成多层软电极阵列，保留了组织水平的灵活性，减少了小鼠神经组织中的慢性免疫反应，并证明，在数月内可靠地跟踪小鼠大脑或脊髓中的电活动，而不会干扰动物行为。

图1. 用于时空可缩放、体内电生理学的可植入神经探针。

图2. 作为柔软和长寿命电介质的氟化弹性体。

图3. 用于可缩放神经探针，高密度软微电极阵列3D集成。

图4. 通过可扩展的软神经探针实现长期稳定的脑电生理和植入，减少免疫反应。

图5. 长期稳定的脊髓记录。

作者通过使用比传统材料更具生物顺应性的柔性封装材料，在单细胞水平上建立了长期稳定的柔性脑电子接口。这项工作有望彻底改变用于神经记录和刺激以及脑机接口的生物电子学设计。此研究强调，通过对各种因素进行精心设计，为长期稳定的神经接口设计新型弹性体是可行的。这种方法与半导体行业依赖过时的现成材料的习惯形成鲜明对比，这些材料最初并未针对体内生物电子学进行优化。

作者预计，这项研究将扩大神经接口的设计范围。然而，一个棘手的问题是目前含氟材料的成本，它超过了聚酰亚胺等市场上可买到的柔性材料的成本。目前，这一成本因素可能会限制这项工作在工业领域的应用。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01545-6

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