404 神经探针新材料:碳纳米管/琼脂糖生物复合纤维 - Materials Views 中国

神经探针新材料:碳纳米管/琼脂糖生物复合纤维

研究人员创新性地利用琼脂糖纺出新型碳纳米管纤维(Carbon Nanotube Fibers)。该复合纤维集碳纳米管以及天然多糖类高分子-琼脂糖的优良性能于一身,是神经生理学(Neurophysiology)研究中迫切需要的无毒、生物相容好、易改性、导电性佳的高性能新型神经探针材料。

神经假肢(Neural Prosthetic Devices)用于收集大脑神经细胞的放电信号并翻译成可控指令,建立起大脑与外部世界交互的新途径;从而实现人类对于“思维读取”的梦想,并且有望改善肢体缺陷、脊髓损伤、中风等病人的生活质量。传统的大脑植入微电极作为神经假肢由于大量使用了与柔软的脑组织不兼容的坚硬硅或金属材料,会不可避免地与其周围组织反应导致胶质细胞增生(Gliosis)并产生不导电的隔膜,从而影响装置的使用寿命(为12个月或更短)。因此,研制与脑细胞有良好相容性的电极材料从而保障微电极的长效性仍然是该领域面临的挑战。

最近来自美国罗格斯大学(Rutgers, the State University of New Jersey)的Kohn教授、Neimark教授及他们所带领的研究团队成功研制出新型碳纳米管/琼脂糖生物复合纤维(Carbon Nanotube/Agarose Biohybrid Fibers)并讲述了该新材料作为神经探针(Neural Probe)的应用前景。

该团队借鉴了碳纳米管导电性强、强度高、弹性好、生物相容性佳等优势,同时利用天然多糖类高分子-琼脂糖的凝胶能力及其易改性并功能化的特点,创新性地以琼脂糖作为分散剂并结合湿法纺丝法纺出连续的、并且能够传导电信号以及神经信号的生物复合纤维。

研究发现该新型复合纤维具有许多优异的性能:(1)易改性和功能化:由于使用了富含羟基的琼脂糖作为材料,该复合纤维非常容易改性并使之偶联上小牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin)或层粘接蛋白(Laminin,有利于细胞的附着并且缓解胶质细胞增生);(2)可控的机械性能:干态下的复合纤维具有1 GPa左右的刚度,远高于穿透软脑膜(Pial Penetration)所需的强度(临界强度为0.3-1.3 MPa);湿态下的复合纤维其刚度降低到接近脑组织机械强度的范围(kPa范围),从而与坚硬硅材料相比有更好的脑组织相容性;(3)良好的电信号/神经信号传导能力:与神经假肢中常用的硼搀杂硅材料(Boron Doped Silicon)相比,该新型复合纤维在干态下具有与之相媲美的良好导电性(导电率130-160 Scm-1);即使在湿态下,层粘接蛋白改性过的复合纤维仍保持64 S cm-1的导电率,表明该复合纤维具有作为神经信号传导的潜力;(4)低细胞毒性(Cytotoxicity)和高细胞贴附能力(Cell Attachment):研究人员发现该复合纤维几乎不影响细胞的活性,并且经层粘接蛋白改性过的复合纤维具有优异的脑细胞贴附能力,从而保证了该复合纤维作为生物材料的安全性。

更有意思的是,研究人员在活体试验中发现:层粘接蛋白改性过的复合纤维在植入老鼠大脑皮层组织(Rat Cerebral Cortex)后,引起的胶质细胞增生仅限于纤维植入处100微米左右内的范围(接近其他生物相容材料,比如硅材料,所引起的细胞胶质增生反应)。如图所示,复合纤维植入处(黑色部位)周围出现被激活的星形胶质细胞(Astrocytes,黄色,脑组织炎症引起)和小胶质细胞(Microglia,蓝色,脑组织炎症引起)的范围非常有限,大部分区域的神经元(Neurons,绿色)均未受到影响,完全可以媲美当前所使用的常规材料。

上述研究表明了碳纳米管/琼脂糖复合纤维具有优于传统神经探针硅材料的可控机械强度,以及可媲美硅材料的电信号传导能力和生物相容性。该碳纳米管/琼脂糖复合纤维有望在未来长效、高性能神经探针的设计和应用中发挥重要作用。

 

D. Y. Lewitus, et al. Advanced Functional Materials 2011, DOI: 10.1002/adfm.201002429.

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