川大范红松/新国立Chwee Teck Lim《ACS Nano》：水凝胶基多功能深脑探针实现神经感知、调控与治疗一体化

植入式深脑探针 （ DBPs ） 是脑机接口的核心组件，但其面临两大瓶颈：传统刚性材料（如硅、金属）与脑组织模量失配引发免疫排斥，而柔性水凝胶材料因加工工艺限制难以实现多模态功能集成。如何开发兼具力学相容性与多功能性的新型探针，成为破解神经退行性疾病治疗难题的关键。

近日，四川大学与新加坡国立大学团队开发了一种水凝胶基多功能复合探针 （ HybF ） ，通过湿纺工艺与离子螯合 / 解螯合技术，将导电、导光和药物递送纤维模块集成于 PLGA 基绝缘壳层中，实现了大鼠深部脑区的精准干预。相关成果以 “Hydrogel-Based Multifunctional Deep Brain Probe for Neural Sensing, Manipulation, and Therapy” 为题发表于 ACS Nano （ DOI: 10.1021/acsnano.5c03865 ）。

1. 自适应力学性能的水凝胶纤维设计。 HybF 采用海藻酸钠 /MXene 导电水凝胶芯层与 PLGA/ MgO 绝缘外壳的复合结构，基于多糖和 MXene 材料的超强亲水性实现 HybF 的干湿态刚度切换：干燥态下 HybF 的弯曲刚度约 1 N/m ，满足植入时的机械支撑需求，湿润态下 HybF 的弯曲刚度降至 0.3 N/m （图 1d ） ， PLGA 壳层的 kPa 级力学模量 (图1e) 也与脑组织模量相接近 （ 0.1–1 kPa ） ；上述设计解决了传统深脑探针“植入刚性不足”与“长期植入力学失配”的矛盾。

2. HybF 导电、导光、导药的多模态功能集成 及 抗癫痫治疗的体内验证 。 高分辨电信号记录： MXen e 通过多重氢键相互作用与基质海藻酸钠纤维结合搭建三维导电网络， 导电纤维 模块 阻抗低至 97 S/m （ 1 kHz ） ，可捕捉单个神经元动作电位 （图 2j ） ；光遗传学调控： PEGDA 水凝胶光纤 模块 透光率超 90% （ 400–900 nm ） ， 635 nm 光照通过 HybF 成功诱导 hSyn-ChrimsonR 转基因大鼠海马神经元放电（图 2i ） ，主成分分析 （ PCA ） 清晰区分光刺激前后的放电模式 （图 2k ） ，同时重复光照可诱导癫痫样放电，验证了HybF的神经调控精度（图 2l ） ；时空可控药物递送 : 在 KA 诱导的慢性癫痫大鼠模型中， 中空纤维 模块 实现 5- 氨基酮戊酸 （ 5-ALA ）的局部释放，联合 635 nm 光照触发光动力效应，在癫痫大鼠模型中使异常放电幅值降低 83% （图 3 i ） ,同时 治疗区域仅限光照靶点，未观察到邻近脑组织损伤，水迷宫实验显示 HybF 基光动力疗法后大鼠 认知功能保留率超 90% （图 4 a,b ）。

该研究首次实现水凝胶 基 深脑探针 在深部脑干预中的多模态应用，其核心优势包括 ： 基于海藻酸 /MXene/PLGA 的全降解体系，兼具力学匹配与功能集成；湿纺工艺支持规模化生产， HybF 直径（约 500 μm ）适配现有植入器械； 有望 为癫痫、帕金森病等 疾病 提供 临床 “诊断 - 治疗 - 监测”一体化方案。

文章第一作者为四川大学 博士研究生陈志鸿，通讯作者为新加坡国立大学 Chwee Teck Lim 教授与四川大学范红松教授。该研究获国家自然科学基金 （ 32361133548, 52303195 ） 、四川省科技厅项目 （ 2024NSFSC1014 ） 资助。

图 1. 多功能 HybF 的设计、制造和表征。

图 2. HybF 介导的深部脑刺激的功能验证 。（深脑电刺激与深脑光刺激）

图 3. HybF 介导的深部脑记录和光动力疗法治疗癫痫 。

图 4. HybF 植入后的术后效果和生物相容性评价。

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03865

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！