蠶絲蛋白材料是制備生物醫(yī)學(xué)植入物的良好材料，并已得到臨床應(yīng)用，其具有無生物毒性、不引起排異反應(yīng)、體內(nèi)可降解、柔性、力學(xué)性質(zhì)可調(diào)及可實現(xiàn)功能化等優(yōu)秀性質(zhì)，但這種生物聚合物在用于制備生物電子器件時仍面臨一定的風險與挑戰(zhàn)，例如會因為溶解特性而吸水破裂。

 

針對這種情況，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎團隊與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院合作，基于蠶絲蛋白材料開發(fā)了一種具有高度組織 / 器官適配性的植入式生物電子器件。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上（IT之家附 DOI:10.1002/adma.202405892）。

 

他們基于蠶絲蛋白膜的超收縮特性確保了蛋白膜表面功能結(jié)構(gòu)遇水不斷裂，結(jié)合多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了形變可控的水觸發(fā)幾何重構(gòu)蛋白薄膜，并通過微機電系統(tǒng)（MEMS）工藝與功能化蛋白膜實現(xiàn)了特定功能。

▲ 圖源：上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

 

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員柳克銀表示，蠶絲蛋白薄膜常用于制作植入式生物電子器件的襯底。這種薄膜遇水后會吸水膨脹，使得器件表面的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被撕裂，致使電子器件無法在人體內(nèi)長期工作。此外，用蠶絲蛋白制作的柔性電子器件往往通過被動形變的方式與人體的組織器官相貼合。這意味著這些器件的貼附效果有限，影響治療效果。

 

因此，研究團隊在保留絲蛋白材料良好生物相容性的基礎(chǔ)上，利用蠶絲蛋白材料的超收縮特性與鍵合工藝實現(xiàn)了器件的水觸發(fā)可控幾何重構(gòu)，進一步實現(xiàn)了器件與目標組織或器官在幾何結(jié)構(gòu)與功能上的匹配。

 

“大多數(shù)柔性物質(zhì)遇水會膨脹，但蜘蛛絲例外，遇水反而收縮，這種超收縮性是蜘蛛網(wǎng)遇水不破的奧秘”，柳克銀表示，研究團隊受此啟發(fā)，調(diào)整了蠶絲蛋白的分子結(jié)構(gòu)，使其具備超收縮特性，不會遇水膨脹斷裂。

 

為了讓蠶絲蛋白膜具備更好的貼附效果，研究團隊利用多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝，設(shè)計開發(fā)出形變可控的水觸發(fā)幾何重構(gòu)蛋白薄膜。

 

“人體的器官和組織有各種形狀，通過疊加可收縮、可擴張的蠶絲蛋白膜，可以使植入器件的形態(tài)產(chǎn)生變化”，柳克銀表示，團隊利用微納米加工技術(shù)等方法，最終實現(xiàn)了蠶絲蛋白植入式器件與目標組織或器官的適配功能。

 

研究團隊不斷創(chuàng)新，將蠶絲“跨界”應(yīng)用于神經(jīng)接口，解決了神經(jīng)電極在植入時容易造成較大創(chuàng)傷的問題。

 

受爬藤植物啟發(fā)，研究團隊基于雙層可卷曲蠶絲蛋白膜及 MEMS 工藝進一步開發(fā)了一種用于外周神經(jīng)的螺旋電極，并在大鼠身上驗證了其電生理刺激、記錄功能以及中長期在體生物相容性。實驗表明，該電極可通過水觸發(fā)的方式實現(xiàn)幾何重構(gòu)，從而緊密貼附于大鼠外周神經(jīng)并構(gòu)成良好的生物-電子界面。在中長期在體植入后，未見電極導(dǎo)致的顯著排異反應(yīng)發(fā)生。以上結(jié)果表明，多層幾何可重構(gòu)蛋白膜在制備具有高度適配性的生物電子器件方面有較好應(yīng)用前景。

 

柳克銀表示：“在進一步集成可控給藥、電刺激等功能后，這類植入式電子生物器件有望應(yīng)用于外周神經(jīng)修復(fù)、腦皮層電生理信號記錄以及腸道疾病治療等方面。”