脑植入物在治疗疾病和恢复丧失感官方面展现出巨大潜力，但传统使用的刚性材料往往会对 delicate 神经组织造成长期损伤。近期发表在《先进科学》期刊的研究表明，采用软质柔性塑料而非刚性硅材料制造这些设备，可大幅减少疤痕形成并保护健康脑细胞。该成果为设计更安全、更持久的下一代神经接口提供了实用指南。
多年来，医疗工程师一直依靠微型电子设备与神经系统交互。这些微电极阵列可记录脑细胞的电信号并传递微弱电流进行刺激。该技术已成功帮助瘫痪患者恢复运动指令，未来有望为盲人恢复视力。
目前市面上大多数脑植入物采用刚性硅材料制造。由于大脑在颅骨内会轻微脉动和移动，刚性硅片会刮擦周围组织，这种持续摩擦会引发持续免疫反应，破坏局部环境。
当大脑检测到异物时，特殊细胞会迅速聚集到植入部位。作为大脑"第一响应者"的小胶质细胞首先对损伤作出反应，随后星形胶质细胞会在植入物周围形成保护性疤痕。
这种疤痕组织在植入物与健康神经元之间形成物理屏障。随着电极与脑细胞距离增加，设备功能逐渐失效，信号变得模糊，需要更高电流刺激组织。
在临床环境中，当患者别无选择时，这种权衡可能可以接受。但对于旨在数十年内改善生活质量的视觉假体等设备，可靠性至关重要。研究人员需要找到一种将异物植入大脑而不激活局部免疫系统的方法。
为解决此问题，制造商开始测试聚酰亚胺等高柔性塑料。由于聚酰亚胺质地柔软，能随组织弯曲移动。虽然研究人员推测柔性植入物损伤更小，但此前从未进行过直接比较以确定哪些设计选择最为关键。
荷兰神经科学研究所研究员科琳·奥尔曼(Corinne Orlemann)带领团队开展此项研究。奥尔曼与组织学专家罗克萨娜·N·库伊曼斯(Roxana N. Kooijmans)及神经假体创新者彼得·R·鲁尔夫塞马(Pieter R. Roelfsema)合作，系统绘制了大脑对不同材料、尺寸和手术技术的长期反应图谱。
研究人员将百余个微型梳状设备植入32只小鼠的大脑外层（即大脑皮层）。他们同时测试了刚性硅设备和柔性聚酰亚胺设备，并调整梳齿的厚度和宽度，观察物理尺寸对生物结果的影响。
设备在脑内留置6至12个月以观察长期效果。半数植入物牢固固定在颅骨上（称为锚定法），另一半则自由悬浮在脑组织中，仅由保护性金属帽覆盖。
植入期结束后，团队在显微镜下检查了极薄的脑组织切片。先前研究常因切片方式掩盖了重要的深度变化，而本研究通过重新设计组织分析方法，构建了高度精确的细胞损伤定量图谱。
研究人员使用特定化学标记物染色细胞，计算存活神经元的密度，测量手术插入导致的组织损失量，并记录小胶质细胞和星形胶质细胞的免疫反应强度。
结果显示，柔性聚酰亚胺植入物表现远优于刚性硅材料。软质塑料设备在脑内造成的物理损伤更少，植入部位附近存活的健康神经元密度更高，引发的免疫反应也弱于硅植入物。
为验证组织健康改善是否转化为性能提升，团队从部分小鼠记录了电活动。动物观看屏幕上反转的棋盘图案时，植入物记录相应脑活动，并通过计算信噪比评估电子设备接收视觉信息的精确度。
正如组织分析所预测，柔性聚酰亚胺设备捕获的信号更清晰、更可靠。在24周测试期内，两种材料性能均缓慢下降，但聚酰亚胺保持记录能力的时间显著更长。
研究团队还沿植入物整个垂直长度绘制了免疫反应图谱，发现两个特定区域反应最为剧烈：首先是大脑表层（设备突破外膜处），其次是灰质与下方白质的交界处。灰质主要包含神经细胞体，而白质由连接不同脑区的长电缆组成，干扰此边界会引发强烈反应，导致防御性免疫细胞涌入邻近组织。
使植入物极薄或极窄并未显著改善结果。与材料本身相比，设备宽度和厚度对组织健康的影响微乎其微。稍厚的聚酰亚胺设备与超薄设备引发的组织反应程度相近。
奥尔曼解释道，虽然聚酰亚胺效果更好，但并非万能解决方案。柔性塑料仍会引发轻微脑部反应，但属于可控范围。"若将其做得极薄，植入难度会越来越大，"奥尔曼指出，"但现在我们知道这并无实质意义，可以放弃此目标，提高手术成功率。"
团队还发现，自由悬浮植入物比锚定在颅骨上的设备造成更多损伤。这出乎意料，因为理论上自由悬浮设备应能更自然地随大脑移动。研究人员指出，这可能是手术过程本身导致的——放置自由悬浮植入物需在鼠颅骨钻更大孔洞，暴露更多组织并造成更大初始创伤，这种初始手术影响超过了设备自由悬浮的潜在益处。
这些结果明确了工程师设计新医疗设备时应关注的重点。由于柔性植入物的物理尺寸对大脑反应影响甚微，制造商无需追求最薄设计。这是实用优势，因为超薄设备极其脆弱，外科医生难以插入而不损坏。
稍厚、更坚固的塑料植入物更易制造且手术操作更安全。"这项研究为合理权衡提供了指南，"奥尔曼解释道。认识到柔性材料是成功关键后，工程师可通过忽略无效设计变量来节省时间和资源。
完全依赖柔性塑料也存在局限。刚性硅仍更适合将先进的类计算机处理芯片直接集成到植入物上。由于硅能良好承载电路，完全弃用该材料可能限制未来神经接口的功能。
后续研究可能聚焦混合设计，工程师可将小型刚性电子元件嵌入软质柔性塑料外壳中，结合硅的处理能力与聚酰亚胺的组织友好性。
团队还建议外科医生应避免将植入物推入过深触及白质边界。将设备完全保留在灰质内可从源头上防止最强烈的免疫反应。随着研究人员不断优化这些设计，持久的视觉假体和可靠的神经植入物正逐步成为患者的日常现实。
该研究《朋友而非敌人：长期聚酰亚胺植入物降低组织反应性》由科琳·奥尔曼、劳拉·M·德桑蒂斯、保罗·尼林、克里斯蒂安·博勒尔、基尔蒂·夏尔马、阿尔诺·阿茨、托比亚斯·霍尔扎默、里克·J·J·范达勒、帕特里克·鲁特、玛丽亚·阿斯普伦德、罗克萨娜·N·库伊曼斯及彼得·R·鲁尔夫塞马共同完成。
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