基于細胞-電子混合體的循環電子學技術實現無手術腦植入及精準神經調控

《Nature Biotechnology》：A nonsurgical brain implant enabled through a cell–electronics hybrid for focal neuromodulation

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年11月06日 來源：Nature Biotechnology 41.7

　　

傳統腦部植入電子設備需要開顱手術，這一過程不僅帶來疼痛和組織損傷，還存在感染、缺血等風險。即使血管內電極等較微創技術，仍需要血管內介入操作，且難以實現亞毫米級的空間靶向精度。另一方面，經顱磁刺激等非侵入性腦刺激技術又缺乏必要的時空分辨率。這些限制嚴重阻礙了腦機接口和神經疾病治療的發展。

為了解決這一難題，麻省理工學院媒體實驗室的Deblina Sarkar團隊在《Nature Biotechnology》上發表了一項突破性研究，開發出名為"循環電子學"的新型無手術腦植入技術。該技術通過將亞細胞尺寸的無線電子器件與免疫細胞結合，形成細胞-電子混合體，經靜脈注射后能夠自主靶向腦部炎癥區域并實現精準神經刺激。

研究人員首先開發了亞細胞尺寸的無線電子器件，其直徑僅為5-10微米，比循環細胞還要小。這些器件基于有機聚合物光伏原理，能夠將外部光能轉化為電能。通過優化P3HT:PCBM和PCPDTBT:PCBM等有機半導體材料的組合，器件在近紅外光照射下能產生0.2V的開路電壓和數十納安的短路電流。

關鍵技術方法包括：開發亞細胞尺寸光伏器件并通過TMAH蝕刻釋放；利用點擊化學將器件與單核細胞結合形成混合體；建立腦炎癥模型并通過靜脈注射遞送；采用c-Fos免疫組化和單單位記錄驗證神經刺激效果；進行全面的生物相容性評估。

亞細胞尺寸自由漂浮無線電子器件

研究團隊成功制備了尺寸僅為5-10微米的SWEDs，這些器件采用三層結構：PEDOT:PSS陽極、有機半導體活性層和鈦陰極。通過精確控制制備工藝，器件即使在這種微小尺寸下仍能產生足夠的電能，在10mW/mm2的光強下產生0.2V的開路電壓。

炎癥腦區自主植入

研究人員將SWEDs通過點擊化學與單核細胞結合，形成細胞-電子混合體。實驗顯示，86.9%的混合體在遷移過程中保持穩定，并能以5.24mm?2h?1的速率穿過內皮細胞層。在小鼠腦部炎癥模型中，混合體成功自主植入到目標腦區，而對照組中未觀察到類似現象。

腦區特異性刺激

通過c-Fos免疫組化分析，研究人員發現實驗組在目標腦區出現了317.8±80.96個/mm2的c-Fos陽性細胞，顯著高于各對照組。單單位記錄進一步證實，14個記錄單元在近紅外光刺激下表現出顯著的神經活動增加，且響應時間與光脈沖偏移具有精確的時間相關性。

生物相容性研究

全面的生物相容性評估顯示，SWEDs對單核細胞和神經元均無細胞毒性。動物實驗表明，實驗組與對照組在行為測試、血液指標和組織學分析方面均無顯著差異。長期觀察發現，SWEDs在腦內保持穩定長達6個月，且未引起明顯的免疫反應。

這項研究首次實現了無需手術的腦部電子器件植入和精準神經刺激，為神經疾病治療開辟了新途徑。通過融合電子功能與生物細胞的靶向能力，循環電子學技術為未來開發具有傳感、分析和反饋能力的智能腦機接口奠定了基礎。該技術不僅適用于神經炎癥相關疾病，還可擴展到其他需要精準靶向治療的領域，代表了生物電子學領域的重要突破。