Nat.Commun.：可生物降解柔性神經介面，用於透皮光電調製和周圍神經再生

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光電神經介面可以利用光伏效應將光轉換為電流，誘導電荷重新分佈並實現神經刺激，提供了一種非光遺傳和無線的神經調控方法。開發可生物降解且高效的光電神經介面，對於實現透皮刺激非常重要，同時可以最大限度地降低二次手術帶來的相關感染風險，從而提高治療效果。

為此，清華大學材料學院尹斕副教授、中國人民解放軍總醫院王玉研究員和鎂伽科技有限公司汪世溶團隊共同提出了一種基於薄膜矽（Si）二極體的完全可生物降解、柔性和小型化的光電器件（圖1），並實現了周圍神經的無線透皮刺激和功能恢復。該工作引入了可降解的金屬薄膜鉬（Mo）作為介面修飾層，可實現高效的電荷注入。此外，採用延伸電極來實現三極刺激，以進一步提高刺激的效率。透過將深紅光（635nm）照射到S-D大鼠的坐骨神經和紐西蘭兔的面神經上來實現神經調控，並透過透皮光電刺激成功恢復受損的面神經的功能。這些結果為開發用於透皮神經調節和相關再生醫學的可生物降解、高效和小型化光電器件提供了重要途徑。這一研究成果以“A biodegradable and flexible neural interface for transdermal
optoelectronic modulation and regeneration of peripheral nerves”為題發表在國際知名期刊Nature Communicaions上。

圖1 用於周圍神經光電刺激的可生物降解柔性神經介面示意圖。

作者首先透過膜片鉗測試了不同金屬修飾的Si二極體的光電響應。結果表明，可降解金屬Mo修飾的器件具有更高的光電壓及光電流（圖2），並透過統計電荷注入量發現，Mo修飾的器件具有更高的電容電荷和法拉第電荷，尤其是法拉第電荷得到了明顯的提升。

針對這一現象，作者對Mo修飾提高光電響應的機理進行了研究（圖3）。研究結果顯示，Mo修飾器件具有更大的電荷儲存量，XPS的結果也表明Mo具有多價態的變價反應，可透過化學反應提高法拉第電荷的注入量。並且Mo修飾器件的介面阻抗明顯降低，降低了電荷傳輸的能壘。所以Mo比傳統的貴金屬Au等提高光電響應的能力更強。

圖2 生物降解光電神經介面的器件結構和效能。

圖3 矽基光電器件介面修飾層特性

隨後，研究者將該可降解的光電器件放置在S-D大鼠坐骨神經（圖4）和紐西蘭大白兔的面神經（圖5）上進行神經調控的展示。在深紅光（635 nm）下，Mo修飾的光電器件刺激的大鼠，腿部有明顯的抖動，且在腓腸肌記錄到了強烈的肌電訊號。在兔子的面神經處，即使隔著面部皮膚，有效的刺激仍能產生。展示了該光電器件的無線透皮刺激能力。同時，圖5也展示了完全可生物降解的光電器件在植入兔子面神經後的降解情況，植入後8周器件可以完全在體內降解。

圖4 基於Si的神經介面對SD大鼠坐骨神經的光電刺激。

圖5 使用基於Si的神經介面對紐西蘭兔面部神經的光電刺激。

最後，研究者將該光電器件作為治療兔子面神經鉗夾傷修復的材料，透過施加可調控的刺激，無線透皮對損傷神經進行了治療。結果表明（圖6），Mo修飾的光電器件治療可以顯著地提高受傷神經結構的恢復速度以及恢復質量，同時促進了神經功能的重建。

圖6 使用可生物降解的光電神經介面光電治療後 4 周和 8 周再生神經節段的評估。

這項工作提供的材料策略和設計方案，實現了高效和可生物降解的光電神經介面，用於非光遺傳、無線和透皮神經調節和再生，並有可能在臨床醫學中用於最大限度地提高治療效果。

清華大學材料學院尹斕副教授、中國人民解放軍總醫院王玉研究員和鎂伽科技有限公司汪世溶為本文的共同通訊作者；清華大學材料學院孫鵬程、楊燦博士，中國人民解放軍總醫院李超超博士為本文的共同第一作者；中山大學深圳校區王華春助理教授，北京航空航天大學王柳助理教授，北京腦科學與類腦研究中心熊巍研究員，清華大學電子系盛興、張沕琳副教授，中國人民解放軍總醫院骨科研究所所長彭江主任醫師等為論文做出了重要貢獻。研究得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金的支援。