植入式碳纤维脑电极作为新型长期脑机接口，在动物试验中表现良好
据外媒报道，密歇根大学开发了一种非常小的、可植入的碳纤维电极，该电极已经在大鼠身上进行了演示，并有可能提供一个长期的脑机接口，该电极可以在长时间内捕获电信号的范围和细微差别。研究人员认为，有朝一日可植入的碳纤维电极可以为人类带来进步，提高从截肢到脊柱受伤等疾病患者的生活质量。
密歇根大学开发的一种微小可植入碳纤维电极，在大鼠身上被证明有潜力提供一个长期的脑-机接口，可以在很长一段时间内捕捉电信号的范围和细微差别。
这一步骤有可能能够提高许多人的生活质量：通过刺激骶神经来恢复膀胱控制，刺激颈迷走神经来治疗癫痫，并提供深部脑刺激作为帕金森的可能治疗方法。
这项新的研究表明，该碳纤维电极有望在不损伤脑组织的情况下，将大鼠大脑的电信号传送到外部计算机上。将碳纤维电极直接植入大脑，可以捕捉到比现有技术更明显、更具体的信号。
“有一些接口可以直接植入大脑，但是由于各种原因，它们的寿命只有几年甚至几个月，”密歇根大学生物医学工程系的博士毕业生Elissa Welle说。“任何时候涉及打开头骨进行大脑手术，这都是一件大事。”
硅是当今大脑植入物中应用最广泛的材料，因为它具有导电能力，而且在洁净室技术中有应用历史。但人体将硅视为异物，这意味着它会导致长期形成疤痕组织。它最终会退化并不再捕获大脑信号，需要移除。
生物医学工程研究生研究助理Elissa Welle在Cindy Chestek教授的皮质神经修复实验室使用直径3mm的丁烷火焰喷枪锐化直径6.8um的碳纤维电极束。
图片:Robert Coelius/Michigan Engineering
碳纤维可能是通过持续数年而不是数月的接口获得高质量信号的途径。碳是人体的关键元素之一，存在于蛋白质、碳水化合物和脂肪等有机分子中。
通过在实验室中借助小型喷灯将碳纤维激光切割和锐化成微小的亚细胞电极，密歇根大学的工程师们利用了以身体更容易接受的形式捕获出色信号的潜力。
“植入后，它以一种不干扰周围血管的方式位于大脑内部，因为它比那些血管要小，”Welle说。“它们会四处移动并适应这么小的物体，而不是像遇到更大的植入物时那样被撕裂。”
该电机在脑组织中的兼容性是由于其有较小的尺寸，同时，针状的形状也可以最大限度的减少其与周围组织的紧密程度。更大的碳基电极已被证明存在于人体中，实际上能促进神经组织生长而不是降解。密歇根大学的团队希望进一步的测试能够揭示他们的碳纤维电极在大脑和神经中的类似潜力。
U-M 团队之前的工作已经证明了该电极能够捕获来自大鼠大脑的信号。在过去的一项研究中，碳纤维电极记录神经元信号的比例为34%，而传统的硅电极只有3%。在植入后9周，激光切割将这一数字提高到71%。火焰锐化技术使得这些高性能的探针可以直接被植入大脑皮层，而不需要临时的插入辅助装置或穿梭装置，也不需要植入大鼠的颈迷走神经。
由于大脑具有大而平坦的表面，相对容易插入电极。但是，密歇根大学的工程师们也挑战了更困难的任务：将磨尖的碳纤维电极插入神经——其直径可以小到几根头发的粗细。
生物医学工程研究生研究助理Elissa Welle在Cindy Chestek教授的皮质神经修复实验室里准备锐化一个连接有四个碳纤维电极的阵列。
图片:Robert Coelius/Michigan Engineering
密歇根大学生物医学工程副教授、皮质神经修复实验室首席研究员Cindy Chestek 表示，这些发现表明，密歇根大学电极的潜力不仅限于假肢工作。
“例如，瘫痪的人可能无法控制他们的膀胱，”Chestek 说。“我们可能可以利用这些较小的电极来刺激和记录来自颈部或脊髓等较大电极无法触及的区域的信号，以帮助患者在一定程度上控制病情。”
◾ 图片说明：
碳纤维硅胶阵列（CFSA）的制作步骤。A) 将定制的聚酰亚胺 PCB（金色）插入定制的铝制支架（灰色）中，四根聚酰亚胺绝缘线（金色）位于聚酰亚胺 PCB 上方。B) 电线和碳纤维电连接并固定到聚酰亚胺 PCB。B1) 每根导线的尖端都从聚酰亚胺绝缘层中暴露出来，并放入聚酰亚胺 PCB 中的镀金过孔中。B2) 将银环氧树脂涂在一对连接的金走线和相邻的镀金过孔上。B3) 将裸碳纤维置于一对金线之间的银环氧树脂中，然后固化。B4) 在电气连接上涂上绝缘环氧树脂，然后固化。C) 将铝制支架平放，将 3-D 打印设备（绿色）放置在电线上，为硅胶创建一个孔。硅胶（蓝色）与拉制的玻璃毛细管一起涂抹，然后固化。D) 将带有电线、碳纤维和硅胶的聚酰亚胺 PCB 从支架上提起。E) 从正面（左）和背面（右）看，去除了聚酰亚胺 PCB 多余尾部的 CFSA 图片。
喷灯原理图和锐化纤维
◾ 文献信息：
E. J. Welle et al., "Sharpened and Mechanically Durable Carbon Fiber Electrode Arrays for Neural Recording," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 29, pp. 993-1003, 2021,
doi: 10.1109/TNSRE.2021.3082056.