近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎研究员团队在高适应性蚕丝蛋白神经接口研究方面取得进展。团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院合作，基于蚕丝蛋白材料开发了一种具有高度组织/器官适配性的植入式生物电子器件。在保留丝蛋白材料良好生物相容性的基础上，利用蚕丝蛋白材料的超收缩特性与键合工艺实现了器件的水触发可控几何重构，进一步实现了器件与目标组织或器官在几何结构与功能上的匹配。相关研究成果以“Tissue/Organ Adaptable Bioelectronic Silk-Based Implants”为题于2024年7月22日发表在学术期刊Advanced Materials上(Advanced Materials, 2024, 2405892；doi: 10.1002/adma.202405892)。
生物适配性是植入式生物电子器件最重要的属性之一，包括但不限于生物相容性、力学匹配、几何匹配与功能匹配等特征。蚕丝蛋白材料是制备生物医学植入物的良好材料，并已得到临床应用。其具有无生物毒性、不引起排异反应、体内可降解、柔性、力学性质可调及可实现功能化等优秀性质。但是以蚕丝蛋白为例的生物聚合物在用于制备生物电子器件时仍然面临一定的风险与挑战：(1)当前柔性电子器件往往通过被动形变的方式与目标组织或器官相贴合，贴附效果受限；(2)由于该类材料的溶解特性，制备于其表面的功能结构可能会随其表面积膨胀而撕裂，因此无法在体长期工作。
针对以上挑战，上海微系统所联合上海交通大学医学院附属第六人民医院基于蚕丝蛋白膜的超收缩特性确保了蛋白膜表面功能结构遇水不断裂，结合多层蚕丝蛋白膜键合工艺和结构设计开发了形变可控的水触发几何重构蛋白薄膜，并通过微机电系统(MEMS)工艺与功能化蛋白膜实现了特定功能。
受爬藤植物启发，研究团队基于双层可卷曲蚕丝蛋白膜及MEMS工艺进一步开发了一种用于外周神经的螺旋电极，并在大鼠身上验证了其电生理刺激、记录功能以及中长期在体生物相容性。实验表明，该电极可通过水触发的方式实现几何重构，从而紧密贴附于大鼠外周神经并构成良好的生物-电子界面。在中长期在体植入后，未见电极导致的显著排异反应发生。以上结果表明了多层几何可重构蛋白膜在制备具有高度适配性的生物电子器件方面有很大的应用前景。
图1.基于蚕丝蛋白的超收缩特性和键合工艺，该团队开发了水触发的几何可重构蛋白膜，并在此基础上结合MEMS工艺制备了遇水自卷曲的外周神经电极并进行了相关实验
该论文的第一作者为中科院上海微系统所朱子懿，上海交通大学医学院附属第六人民医院严至文及中科院上海微系统所倪思远为该论文的共同第一作者，通讯作者为中科院上海微系统所魏晓玲研究员、上海交通大学医学院附属第六人民医院钱运副研究员和中科院上海微系统所柳克银副研究员。该研究得到中科院上海微系统所陶虎研究员和上海交通大学医学院附属第六人民医院范存义教授的指导和帮助。该研究获得科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、上海市级重大专项、中科院上海分院基础研究特区计划等相关研究计划的支持。
