高分辨型微型化雙光子顯微鏡助力發現防止術中出血的單軸延伸神經電極

傳統剛性探針與腦組織之間存在嚴重的機械不匹配，從而引發腦內免疫反應，阻礙了信號采集的長期穩定性。先前的研究已經制定了各種策略來減輕術后異物反應，包括減小探針尺寸，使用可移動或可生物降解的涂層，以及響應性基底。然而，減小探針尺寸需要在增加的易彎曲性和穿透精確度之間權衡。并且，這些探針必須在整個穿透過程中保持剛性，增加了插入探針期間出血的風險，引起臨床可行性方面的擔憂。盡管先進的精密設備可以在光學引導系統或高靈敏度機械傳感器的幫助下降低血管損傷的風險，但它們對復雜設計、制備和專業化要求的依賴給實施帶來了挑戰。開發一種在植入過程中變得柔順的探針似乎可以避免術中出血。然而，彎曲剛度不足使得這種探針在推力作用下極易變形，而不是像預期的那樣植入目標腦區。

為了進一步測試防止術中出血的單軸延伸神經電極的實際應用性能，真實的觀測電極在植入過程中避開血管的能力，作者利用超維景自主研發的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），成功記錄到電極植入避開血管到電極退出的全過程。

2024年06月，南京醫科大學胡本慧團隊在國際著名期刊npj Flex Electron上發表題為“Uniaxial extending neural probes for bleeding-absent implantation”的研究論文。利用微型化雙光子成像技術等技術，成功觀測到了防止術中出血的單軸延伸神經電極在植入過程中防止出血的功能。

作者利用縱向平行骨架間分子鏈間相互作用抑制探針橫向弛豫，構建了一種可單軸延伸的神經探針。該神經探針具備優異的機械順應性，同時在無出血情況下，沿主軸方向自行植入。并且，植入前彎曲剛度高以順利刺破大腦表面，植入后彎曲剛度低以增強機械順應性。探針主干由PEDOT在預定向PEG-DA支架中自組裝構成。帶正電的PEDOT鏈沿著含有帶負電PSS的支架平行排列，產生強烈的鏈間相互作用。隨后的脫水使PEDOT和PEG-DA之間的鏈距減小，鏈間相互作用增強。因此，骨架截面方向的擴張被全面限制(面內變形抑制效應)，使我們的探針能夠沿著植入主軸保持延伸(圖1)。

圖1. UENPs的設計和工作原理

作者利用微型化雙光子顯微鏡體積小安裝靈活的特點，觀察活體大鼠大腦皮層表層的內部結構，進而監測探針植入軌跡中的血管狀況（圖2）。在UENP的插入和收回過程中，微血管（直徑約90 μm）的位移是可以忍受和安全的，而不是被植入物強行推或拖走，直到血管破裂。這是因為UENP橫向擴張被抑制，從而使施加在血管上的額外壓力最小化，所以血管與UENP之間的摩擦減少。作者還使用顆粒圖像測速(PIV)分析了一些毛細血管后小靜脈(直徑小于20 μm) 的位移。其中近端血管最大位移為8 μm，遠端血管最大位移為5 μm。這些毛細血管后小靜脈非常脆弱，但未見破裂。然而，硅基探針和植入臨時硬化探針在植入過程中均發生明顯的出血。作者還在體外模擬了植入過程，進一步證明了UENP對血管的安全性。

圖2. UENPs植入過程中血管的時空編排

【參考文獻】
Ren, X., Bai, W., Chen, S. et al. Uniaxial extending neural probes for bleeding-absent implantation. npj Flex Electron 8, 36 (2024)