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蚕丝只能为衣裳?这位科学家脑洞大开,把它用在了脑机接口和植入式医疗器械
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-10-20 06:17
摘要:2020年度上海市青年科技杰出贡献奖

蚕丝是一种古老的纺织材料,你可知道蚕丝还能做传感器材料?中科院上海微系统所副所长陶虎研究员不仅把蚕丝蛋白用在了脑机接口和植入式医疗器械,还在研发仿生类的人工智能传感器与芯片。

多年来,陶虎一直致力于信息技术和生命科学的基础前沿交叉研究,将蚕丝从传统纺织材料成功转化为新型医用和信息功能材料。他已在国际知名期刊《科学》《自然》及其子刊等发表学术论文80余篇,其中入选封面文章26篇,论文总被引超过15000次。

日前,陶虎荣获2020年度上海市青年科技杰出贡献奖。

【最大限度地利用大脑,最小限度地损伤大脑】

“人类的大脑就像一个超级计算机,成人大脑有800多亿个神经元,组成了一个庞大复杂的网络,但神奇的是,大脑的功耗只有20瓦,跟一个电灯泡差不多。如何利用大脑本身来进行一些新探索,非常重要。”陶虎告诉解放日报·上观新闻记者。

脑机接口,作为人类大脑和外界设备直接沟通的渠道,可以读取脑、调控脑,是当下国际脑科学前沿研究的重要工具,也是脑功能探索和脑疾病诊治的核心关键技术。脑机接口技术的核心难点之一,在于怎么样最大限度地利用大脑,与此同时最小限度地损伤大脑。

然而,当前的脑机接口技术面临“植入创伤大”“通道数不足”“长期记录稳定性差”三大挑战。脑电采集一般是非侵入模式,但信号质量比较差,从大脑深处通过脑膜、脑积液、颅骨、头皮等传递出来,衰减散射得厉害,因此它的信噪比、时间分辨率和空间分辨率都不够。如果要实现一些更加复杂的功能,还是要做植入式,但可能会带来创伤,此外还要保证植入后在体内长期的安全性和稳定性。

能否从材料入手,来改善脑机接口技术?“蚕丝蛋白不仅天然抗菌、可降解,而且机械性能好,简直就是天生的传感器材料。”陶虎说,他过去一直和微纳器件打交道,了解到蚕丝蛋白可用于生物医学上的组织修复后,顿时脑洞大开:蚕丝蛋白能否和传感器相结合呢?

把蚕丝蛋白用在电极上,陶虎团队开发出了“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”,目前已成功应用于鼠、兔、猴等多种动物模型。


制图:黄海昕

“马斯克公司研发的脑机接口技术中柔性电极需要钢针辅助插入,我们独创的这个系统可以把柔性电极暂时硬化,在头颅上打个微孔后电极可以自体插入,无需钢针的辅助,而电极插入脑部后又会变软,对大脑的损伤很小。”陶虎说,这种柔性电极可免开颅微创植入颅内,创伤直径小于0.7毫米。

接下来,他们希望能进一步把植入式创口直径减小到0.5毫米。临床上一般认为创口直径小于0.5毫米,人体可自愈。这是一个什么概念?我们平时去医院抽血用的针头就是直径0.45毫米大小。

陶虎透露,其实他们的柔性电极宽度只有不到0.1毫米,而厚度只有0.001毫米,但受限于钻头本身的尺度,因此他们正在设计生产直径更小的机械钻头,同步还在考虑激光钻孔。“我们定的长远目标是创口直径0.3毫米以下,这与针灸针头的直径差不多,也是人们普遍可以接受的程度。”

除了减小植入伤口,提高带宽也很重要,带宽越大,读取和调控的神经元就越多。这种柔性神经电极已实现晶圆级批量制造,单器件最高可集成上千通道脑电信号采集通路。电极植入后能够实现术后急性信号采集和长期稳定神经信号跟踪。

“我们合作的几家头部医院正在申报临床研究,如果顺利,今年年底会做大脑深部的电极试验,明年就可以在更大规模人群上开展试验。”陶虎介绍,届时他们将针对喉癌病人的语言功能和高位截瘫病人的运动功能展开针对性研究。

【蚕丝蛋白不仅可包裹药物,而且可控降解】

“蚕丝蛋白做成纺织品,其附加值只有几倍,而成为植入式医疗器械的高端耗材,其附加值增加了成千上万倍,养蚕的农民也因此增收了。”陶虎说。

植入式医疗器械是生命科学与信息技术的融合,陶虎团队开发了系列基于蚕丝蛋白的植入可降解、人体可吸收的微纳电子和光电子器件,实现了蚕丝蛋白在神经外科、骨科等临床医学领域的应用。

一直以来,临床上很多植入式器械,都是不可降解的金属类电子器件,比如骨钉,一旦植入身体还需要二次手术再把它取出来。

相比金属类电子器件,蚕丝蛋白不仅生物兼容性更好,可包裹药物,而且可控降解,降解的产物是氨基酸,对身体不会产生危害。


蚕丝蛋白骨钉。采访对象提供

“所谓可控降解,就是可以调节降解时间,从几个月到几年不等。比如,我们和上海市第九人民医院合作,整形用的鼻假体需要在体内很长时间都不降解,而脸部线雕则需要让它短时间内降解。”陶虎介绍,此外,他们与第四军医大学西京医院合作已在骨折病人身上做了数例临床研究,明年年内将开展上百位骨科病人的临床研究,“乐观估计,最快到2024年,争取拿下三类医疗器械注册证。”

“医疗器械跟人的健康息息相关,如果这一领域的关键技术也被‘卡脖子’,将会非常被动,我们希望能在高端医疗器械方面做一些有益探索。”陶虎说。

【蚕丝蛋白被做成仿生类传感器的基底】

“不管是人工智能算法还是芯片,其实都受制于数据采集的源头传感器。我们现在琢磨的是对这些数据的分析,也就是前端的算法,偏‘软’一点。”陶虎还有一个身份,上海微系统所传感技术国家重点实验室副主任,传感器研究本来就是他最擅长的领域。作为国家科技创新2030重大项目首席科学家、科技部生物和电子信息领域颠覆性技术专家组成员,陶虎希望能带领团队在前端的传感器算法研究上有所贡献。


制图:黄海昕

据介绍,受自然界视觉和听觉出众的生物启发,他们研发了各种仿生类的传感器,且都是多模态和人体可集成的。不管是可穿戴还是可植入的传感器,它们对生物兼容性和安全性的要求都比较高,因此蚕丝蛋白再次“大显神威”,被做成传感器的基底或封装层。“这部分工作的关键技术我们已经突破,期待能尽快应用到传感器的算法研究中。”

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:图虫创意 图片编辑:笪曦
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