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Nature Electronics:“帐篷”式脑机接口

作者:脑机接口社区 2024/08/15 10:52



具有广泛覆盖范围的皮层接口电子设备可有效提高对大脑部位实时同步监测的精度与分辨率。这有助于定位特定并解析的病变区域或者适配于更大、更复杂的脑机接口系统。然而,目前临床植入过程仍依赖于大面积开颅手术,这明显会带来神经源性高血压和慢性开颅后头痛等风险。这些并发症钳制了脑机接口的临床应用。此外,治疗或监测结束后通常需要二次手术移除电子植入物,以防止不必要的免疫反应、生物膜形成和迁移诱导的损伤。

韩国首尔国立大学材料科学与工程系的Seung-Kyun Kang院士(韩国科学技术院院士和工程院院士)与蔚山国立科学技术研究所材料科学与工程系的Ju-Young Kim教授团队合作,报道了一种可生物降解和可自行展开的“帐篷”式电极,用于大脑皮层接口。该系统可以与多路复用阵列和无线模块集成,以实现近场通信和数据传输。使用注射器进行可编程包装和自行部署,以便通过小孔进行微创部署。其部署后可扩展到覆盖大约是其初始大小的 200 倍的区域。电极在使用后也会在体内自然分解,从而最大限度地减少后续移除手术的影响。通过大动物体内演示了该皮质接口平台可有效刺激皮质活动活跃。

可生物降解、可自行部署的电子“帐篷”:
下图展示了可生物降解和可自行部署的电子“帐篷”的详细示意图。顶部和底部底物由PLCL-PLGA组成,由于其形状记忆特性,它们提供了可编程的部署。集成各种电子设备,包括电极,半导体场效应晶体管、热阻温度传感器、压阻应变传感器、质子化和去质子化 pH 传感器和电感耦合线圈,均由可降解组分构建。该器件的径向网状设计允许轴向变换,从而在封装和部署过程中实现均匀和灵活的变形。

有限元分析 (FEA) 与实物图展示了电子“帐篷”的工作方式。该过程首先将电子“帐篷”按顺序装入内径为 5 毫米的注射器中。它在中心节点折叠,每个节点在向内推进时弯曲。注射时的压力提供恢复的主要驱动力。完全展开后电子“帐篷”覆盖面积提升约200倍。无线发光二极管通过功率接收器线圈在圆形支撑几何形状上成功运行,证明电子器件在封装和部署中没有损坏。该装置浸泡在PBS中,150 d后由于材料的水解特性,所有组分几乎完全溶解为各种副产物。这些副产物几乎不影响组织。在使用过程中,由于金属成分的水解或由于聚合物降解而膨胀,设备的电气功能度下降。


图 完全可生物降解和可自行部署的电子“帐篷”,用于在整个介入过程中进行微创监测

设备打包和部署的机械建模:
下图展示出了简化的圆形帐篷形装置的包装。该演示提供了对轴变换过程中的机械建模和设计规则的见解。填充比(F)表示底盘和支撑部分的填充面积(AF)与设备单元设计的覆盖面积(AC)之比。对于具有恒定厚度的设备来说,这一点尤为关键,因为它有助于在包装和展开过程中实现有效的折叠和恢复。最大局部应变与填充比例之间的关系由底盘和支撑的宽度及数量决定。在展开过程中,弯曲和扭曲的支撑通过与温度相关的形状记忆力恢复,这会导致设备沿径向扩散。展开方向由尖端的初始方向确定,因此可以预测最终的展开位置。设备与底面之间的相互作用会影响皮层上滑动。控制接触角至关重要,因为它会影响向前滑动行为。阈值是部署期间角度达到 60°,而接口初始向后滑动通常会导致不成功的恢复。

图 可编程可打包和可自行部署的电子“帐篷”的机械建模

体内自部署和皮层活动记录:
使用微创程序成功地验证了犬类大脑的接口部署。该手术仅需在颅骨开孔暴露大脑表面,将模块与润滑液(浓缩甘油)从开口注射即可。为了能够对整个过程进行原位可视化,头骨被替换为透明的头骨复制品。下图显示了 16 通道钼电极阵列的位置,每个阵列的面积为 300 × 300 μm2,厚度为 ~500 nm,1 kHz 时阻抗为~15 kΩ。固定在中央聚己内酯节点的输入/输出 (I/O) 接口确保了稳定的数据传输和手术难度。在神经重症监护中,监测大脑中的各种生理信号对于识别继发性脑损伤的迹象至关重要。作者团队进一步在犬模型上通过电子“帐篷”完成了包括ECoG、红外光照射引起的温度变化,挤压引起的应变变化以及通过钻孔注入盐水后pH值变化的监测。

图 犬类模型中自展开电子“帐篷”的演示

用于时空映射的有源多路复用阵列:
基于MOSFET的有源电极由Si NM组成,具有高密度记录的优点。此功能可实现病变的准确定位,同时最大限度地减少电线接口的复杂性。这些阵列与电子“帐篷”中的八个独立突触无缝集成。有源电极的平均增益、电子迁移率、开/关比和信噪比分别为 ~0.91、~350 cm2s−1V−1, 104和 ~9.76 dB。信噪比取决于顶部和底部基板的厚度。MOSFET的可切换行为是通过控制施加的栅极电压实现的,能够从每个MOSFET中单独选择数据,以实现高效的多路复用。从集成到电子帐篷中的有源电极阵列获得的体内测量值如图所示。图e,f表示基于每个阵列的幅度在特定实例(t = 55、83、150和195 ms)下的信号分布。有源电极阵列位于右侧运动皮层区域,在对左坐骨神经进行电刺激期间有效检测到了上行信号。

图 用于高密度记录的有源多路复用电极阵列的集成

用于神经生理信号监测的无线系统:
基于NFC的系统提供了一种无线方法来传输或接收生理传感数据。这种方法消除了对外部电源和I/O 线的需求,从而减少潜在的并发症。基于 NFC 的电子帐篷的无线版本包括中心节点上的定制NFC电路板,突触上的传感器层和径向圆支架上的线圈层,以用于基于感应耦合的无线通信。从无线平台测得的数据通过电感耦合以大约13.56 MHz的频率传输到外部读卡器板。此外,NFC模块还集成了各种传感器(温度、热导率和应变),以检测生理信号。对于体内无线生理监测,将无线传感平台部署在犬的大脑上。有效测量了包括红外光照射引起的温度变化、周围环境变化引起的热导率变化以及挤压引起的应变。该实验证明了使用集成定制电路的电子“帐篷”在脑表面进行无线监测的可行应用。

图 用于无线监控的NFC系统集成

生物相容性和生物降解性:
Micro-CT 图像显示了植入大鼠大脑的电子帐篷超过 460 d 的连续生物降解。随着时间的流逝,植入式电子帐篷的几何形状逐渐减小。在不同的时间点提取植入的装置。观察结果显示,随着时间的推移,该装置会溶解,并且一些组织会吸附到该装置上。植入装置后 2 周,植入组GFAP 和Iba1 表现的荧光信号高于假手术组。但随着治疗期从2周延长到6周,GFAP和Iba1的表达水平降低。这一结果表明,将该装置植入大脑的手术导致了大脑环境的变化,这种反应可能会暂时诱导星形胶质细胞与小胶质细胞激活。H&E和TUNEL染色未显示明显的毒性或细胞死亡。在特定时间间隔拍摄的磁共振图像未发现电子“帐篷”的降解产物对深部脑组织造成明显损伤。植入的大鼠和对照动物之间血液的化学、电解质或细胞水平几乎没有差异

图 电子“帐篷”的体内生物降解性和生物相容性

小结:
对于脑机接口而言尽可能的减小接口设备体积,并提升其部署后的扩展能力,可以最大限度地减少皮层结合面积与手术创口大小之间的矛盾。理想的脑机接口应提供可预测且温和的部署,以确保可靠定位,同时防止组织损伤。保形接触对于在其整个功能生命周期内保持位置和获取高质量信号非常重要。集成完全可生物降解的组件或可嫁接无线电子设备可以通过最大限度地减少并发症来进一步增强整体患者体验。理想情况下,所有成分都应该可以通过水解或代谢活动溶解,从而消除潜在生物膜形成的风险或二次去除过程的需要。

在这里,作者团队描述了一种可生物降解和可自行部署的电子“帐篷”电极,该电极专为皮质接口而设计。该方法提供了一个微创平台,从插入到植入后监测和移除。电子帐篷使用可编程包装方法,提供可重复、自动和温和的部署,从而降低手术并发症的风险。它最初的小尺寸和生物降解性可以最大限度地减少与植入和手术切除有关的并发症。该平台还具有适应先进功能模式的潜力,例如微机电系统以及流体和光学通道,这可以扩展治疗方法,包括化疗或光疗。

参考文献:

Jae-Young Bae, Gyeong-Seok Hwang, Young-Seo Kim, et, al. A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing. Nat Electronics. 2024 Aug 05.

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01216-x

来源:奇物论
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