超薄丝绸电极阵列 可治疗瘫痪癫痫

丝绸以柔软轻薄着称，科学家利用丝绸的这一特性设计出一种以丝绸为载体的超薄电极阵列，植入大脑，粘附于脑组织表面，丝绸自然分解后，电极阵列就与脑组织紧密契合，忠实记录脑神经活动。

这种可延展、超薄的设计可以用于制造更好的脑机接口，脑机接口可用于记录瘫痪病人的脑神经活动，并将其转换为控制命令，用以控制假肢、计算机鼠标键盘、机械手臂等，从而帮助那些肢体残疾、脊髓损伤、中风、肌萎缩侧索硬化，以及其他神经肌肉退化的病人，建立一个大脑与外界世界直接交互的新途径，改善他们的生活质量。由于可以随意弯折，而又非常纤薄，因此以丝绸为载体的脑机接口可以深入到以前无法到达的大脑区域。

这一研究成果发表于4月18日发行的《自然·材料》杂志，宾夕法尼亚大学神经学家布莱恩·利特（Brian Litt）是这一研究的第二作者，他表示：“这一成果开创了一种全新类型的可植入医疗装置，不仅可用于植入大脑，还可广泛用于其它人体组织。”

研究团队在丝绸薄膜上印刷电极阵列，然后将其植入大脑表面，并以生理盐水冲洗。由于这种丝绸薄膜仅有2.5微米厚度，在构造和植入过程中必须粘附于平台上，否则可能会破碎。植入后丝绸薄膜自然分解，电极阵列就会牢牢包裹在脑组织上。

哥伦比亚大学生物医学教授巴克莱·莫里森（Barclay Morrison）指出：“由于能更好地使电极阵列粘附于大脑表面，这一新技术将显着改善大脑记录设备的功能。”

研究团队发现，这种植入设备的外形与人脑模型的轮廓契合完美。研究人员使用猫脑进行实验，发现植入猫脑视觉感应区域后，这种厚度仅有纸张的四十分之一的电极阵列能够忠实地记录神经活动，而且植入一个月后，没有引起任何炎症之类的问题。由于这种超薄系统能够与脑组织更紧密地结合，其接收信号的效果要好于固定形状的电极阵列，普通电极阵列的厚度是这种新型装置的30倍。

有些硅制的脑机接口在植入过程中需要穿刺脑组织，可能造成损伤，即使是放置于脑部表面的脑机接口也存在问题：这些电极往往放置得过宽，很难获得高分辨率的神经信号，此外这类装置往往引起大脑的免疫反应，降低其使用寿命。脑机接口通常使用很短时间就失灵，有时甚至只能维持几个月，然后患者必须经历多次手术更换装置。莫里森表示，这种新的系统能够克服所有这些困难，带来更先进的神经修补技术。

莫里森还称：“这种新装置的潜力需要在长期的脑机接口研究中才能完全得到发挥。目前还没有与脑组织契合度如此之高的脑机接口，新装置能够在很长一段时间内稳定地提供神经信号。”

科学家们计划拓展该研究成果的适用范围，使用这种完全可分解的植入电极监控、刺激组织生长。此外新装置可以折叠，由头盖骨上的小孔进入，简化手术难度并使患者更容易恢复。科学家们还希望将这种技术用于视网膜和耳蜗植入设备，从而治疗各种神经和精神疾病。

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Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics
Brian Litt and John A. Rogers et al.

1.Department of Materials Science and Engineering, Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USA
2.Department of Bioengineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA
3.Department of Biomedical Engineering, Tufts University, Medford, Massachusetts 02155, USA
4.Department of Mechanical Engineering and Department of Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, Evanston, Illinois 60208, USA
5.Department of Neuroscience, University of Pennsylvania School of Medicine, 215 Stemmler Hall, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA
6.Department of Neurology, Hospital of the University of Pennsylvania, 3 West Gates, 3400 Spruce Street, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA
7.AML, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
8.Defense Advanced Research Projects Agency, Arlington, Virginia 22203, USA
9.These authors contributed equally to this work

【Abstract】Electronics that are capable of intimate, non-invasive integration with the soft, curvilinear surfaces of biological tissues offer important opportunities for diagnosing and treating disease and for improving brain/machine interfaces. This article describes a material strategy for a type of bio-interfaced system that relies on ultrathin electronics supported by bioresorbable substrates of silk fibroin. Mounting such devices on tissue and then allowing the silk to dissolve and resorb initiates a spontaneous, conformal wrapping process driven by capillary forces at the biotic/abiotic interface. Specialized mesh designs and ultrathin forms for the electronics ensure minimal stresses on the tissue and highly conformal coverage, even for complex curvilinear surfaces, as confirmed by experimental and theoretical studies. In vivo, neural mapping experiments on feline animal models illustrate one mode of use for this class of technology. These concepts provide new capabilities for implantable and surgical devices.