最近，Roh等人研发了一种基于瞬时穿梭的探针，即PVA涂层的网状电极。这种探针利用可溶解的PVA材料，通过可变刚度实现超薄网状电极在高弯曲刚度状态下穿透大脑，并在低弯曲刚度状态下成功植入大脑深部。基于瞬时穿梭的探针具有以下优势：（1）探针植入后，辅助穿梭器会溶解，从而显著减少了撤离过程对脑组织的损伤；（2）网状电极的柔韧性适合长期植入，降低了免疫排斥反应的风险；（3）探针与大脑之间的硬度差距小，有助于神经元在植入过程中逐渐接近网状电极。
瞬时穿梭式探针在大脑植入中的应用概述
图1展示了瞬时穿梭的探针。由于PVA的相对高刚度，柔性网状电极在嵌入大脑时无需弯曲。探针与水分反应会导致其刚度发生变化。PVA的可溶解性既为电极的植入提供了所需的刚度，又通过刚度的调整实现了电极的长期植入，从而减少了植入过程中的组织损伤。此外，溶解PVA穿梭器后的植入器撤离过程不会影响网状电极的位置稳定性。
Fig1. 基于瞬时穿梭的探针，可慢性植入大脑而不会造成二次损伤。a: 基于瞬时穿梭器的探针在小鼠大脑中的示意图。b: 探针在植入过程中的刚度变化。c: 在37°C PBS溶液中溶解PVA的序列图像。d: 探针的硬度变化。e: 示意图显示通过减少接触面积和润滑效果最大限度降低大脑应力。f: 探针在琼脂凝胶中植入的过程序列图像。g, h: 共焦荧光显微镜图像展示了在探针植入过程中脑组织中神经元(g)和小胶质细胞(h)的变化。i: 记录了植入后2天、2周和6周内距探针0-25mm范围内神经元和小胶质细胞的实验强度数据。
瞬时穿梭探针植入过程中的机械特性
将神经探针稳定地植入目标脑组织通常需要高刚度以防止弯曲。基于瞬时穿梭的探针在PBS溶液中浸泡时，水分进入网状电极的空隙，促使网状电极与PVA穿梭器迅速溶解和分离，约需6分钟（见图2）。
在探针植入琼脂凝胶时，PVA从与凝胶接触的边缘开始溶解，使梭子的足迹变小且变尖。由于足迹的减少，探针能够在不弯曲的情况下穿过琼脂凝胶，并在广泛扩散状态下准确定位到目标位置（见图2e）。通过使用SU-8和涂油SU-8材料的测试，发现通过溶解PVA形成的抗摩擦层能显著降低摩擦力。
Fig2. 瞬时穿梭探针植入过程中的特性。a: 使用PVA 和网状电极制作瞬时穿梭探针的过程。b:在PBS溶液中溶解嵌入PVA的网状电极的序列图像。c:在PBS 溶液中网状电极与 PVA 分离过程的示意图。d:将瞬时穿梭探针植入琼脂凝胶过程的序列图。e: 在琼脂凝胶中广泛分布的探针无缠结的图像f. 在湿润环境中比较有PVA和无PVA涂层探针的摩擦特性。g:有PVA和无PVA涂层探针在植入过程中的剪切力比较。h: 有PVA 涂层和无 PVA 涂层的植入探针的有限元分析模型。j: 不同设计的网状电极在琼脂凝胶中瞬时穿梭的图像。
瞬时穿梭探针撤回过程中的机械特性
在撤离植入器时施加外力可能导致网状电极的位置偏移，同时可能引发二次损伤。为了研究当前探针是否能预防这种二次损伤，研究人员比较了瞬时穿梭器和非瞬时穿梭器在撤离琼脂凝胶时施加的力。研究结果显示，当连接部位的PVA完全溶解时，不会导致网状电极在撤出时与琼脂凝胶缠结。这种撤出方式可以确保网状电极的位置稳定，从而减少大脑的二次损伤风险。
此外，通过观察植入瞬时穿梭探针后小鼠的行为，研究人员发现网状电极能够跟随大脑的运动而不会对其造成损伤。震荡测试结果显示，瞬时穿梭探针在植入后表现出相对较高的稳定性。
Fig3. 瞬时穿探针撤出和长期植入的机械特性。a: 网状电极与植入器分离的照片。b,c:植入器撤回过程中测得的力，分别连接了b瞬时和c非瞬时梭。d: 在摇晃脑中的植入网状电极行为的示意图。e: 用于确认网状电极动态性能的机械建模示意图。f: 用于振动测试的带有网状电极的未破损琼脂凝胶。g: 用于振动测试的带有针状电极的破损琼脂凝胶。h: 振动测试中网状电极和针形电极电阻变化的比较。i,j:摇晃状态下植入网状电极和针形电极的有限元分析模型。
使用小鼠大脑进行植入和撤回的体内实验
为验证基于瞬时梭的探针在植入网状电极和撤回梭子过程中预防二次损伤的能力，研究人员比较了瞬时梭和非瞬时梭（基于SU-8）在植入和撤回过程中的摩擦力与剪切力。结果显示，相较于非瞬时梭，瞬时梭在植入过程中展现出较低的摩擦力与剪切力，有效降低了脑部的损伤风险；在撤回过程中，由于瞬时梭在大脑内完全溶解，不会对组织造成划伤（见图4）。
此外，瞬时梭有效地传递了网状电极，并在植入后保持电极的垂直长度恒定（见图4h）。金属线的垂直长度变化相对较小，且线间距均匀，表明瞬时梭探针能够在小鼠大脑内植入网状电极而不会导致电极缠结（见图4f-h）。
Fig4. 使用小鼠大脑进行体内测试，验证瞬时穿梭器植入网状电极的能力。a: 基于瞬时梭探针植入过程的照. b: 植入和撤回过程中，瞬时和非瞬时梭探针的对比。c,d: 网状电极的分层结构示意图。e: 小鼠大脑内植入的网状电极的显微CT图像。f,g:网状电极植入小鼠大脑后的金属线间距。h: 通过瞬时梭植入网状电极后金属线的弯曲程度。
瞬时穿梭植入网状电极后的小鼠大脑组织学研究结果
图5展示了通过瞬时穿梭植入网状电极的小鼠大脑组织学研究结果。结果发现，及时溶解的梭子提高了网状电极的灵活性，在植入后2到6周期间促进了植入位置附近神经元的再生（见图5d）。但靠近网状电极的区域显示了神经元强度的增加，表明网状电极在大脑中的稳定性增强，同时神经元与电极之间的距离减少（见图5e）。随时间推移，微胶质细胞的免疫反应减少，显示出植入网状电极的长期稳定性和高生物兼容性。
Fig5. 对植入瞬时穿梭探针 2 天、2 周和 6 周后的大脑切片进行组织学研究。a: 显微镜图像显示每个时期植入瞬时穿梭探针后的神经元和小胶质细胞的情况。b:显微镜图像显示每个时期植入瞬时穿梭探针后的神经元和星形胶质细胞的情况。c: 图a和b显示的大脑区域。d: 神经元与植入探针之间的距离随时间的变化。e: 距探针不同距离的神经元荧光强度。f: 距探针不同距离的小胶质细胞荧光强度。g: 距探针不同距离的星形胶质细胞荧光强度。
讨论
在此研究中，研究人员开发了一种基于瞬时穿梭的探针，用于在脑深部广泛植入网状电极，同时避免电极缠结问题。刚性且可溶的PVA能够顺利穿透脑组织，同时减少探针与脑组织接触面积和摩擦力。探针植入后，通过溶解PVA来分离网状电极，避免了撤回过程中的进一步损伤发生。完全溶解的PVA还有助于降低网状电极在大脑中的刚度，使得网状电极不会干扰神经元的再生，减少生物免疫反应的发生。
虽然文章侧重于开发可溶解梭以输送网状电极，但使用类似的材料（如生物可降解金属和聚合物）制造电极和基底，可以进一步减少撤回过程中的损伤。目前的网状探针和瞬时梭设计尺寸较大，以确保在大脑广泛区域内稳定植入瞬时梭而不出现弯曲或褶皱。未来可以在尺寸和厚度设计上进一步优化，使得完全可溶解的探针能够在广泛脑区内实现安全且广泛的脑信号记录。
Reference：
https://www.nature.com/articles/s41528-024-00328-w
