基于细胞-电子混合体的循环电子学技术实现无手术脑植入及精准神经调控

本研究针对传统脑刺激植入物需开颅手术的难题，开发了名为"循环电子学"的无手术植入技术。研究人员通过将亚细胞尺寸的光伏电子器件与免疫细胞结合形成混合体，经静脉注射后可自主靶向脑部炎症区域并实现精准神经刺激。该技术在小鼠模型中验证了30微米精度的神经刺激能力，为神经疾病治疗提供了非侵入性新方案。

传统脑部植入电子设备需要开颅手术，这一过程不仅带来疼痛和组织损伤，还存在感染、缺血等风险。即使血管内电极等较微创技术，仍需要血管内介入操作，且难以实现亚毫米级的空间靶向精度。另一方面，经颅磁刺激等非侵入性脑刺激技术又缺乏必要的时空分辨率。这些限制严重阻碍了脑机接口和神经疾病治疗的发展。

为了解决这一难题，麻省理工学院媒体实验室的Deblina Sarkar团队在《Nature Biotechnology》上发表了一项突破性研究，开发出名为"循环电子学"的新型无手术脑植入技术。该技术通过将亚细胞尺寸的无线电子器件与免疫细胞结合，形成细胞-电子混合体，经静脉注射后能够自主靶向脑部炎症区域并实现精准神经刺激。

研究人员首先开发了亚细胞尺寸的无线电子器件，其直径仅为5-10微米，比循环细胞还要小。这些器件基于有机聚合物光伏原理，能够将外部光能转化为电能。通过优化P3HT:PCBM和PCPDTBT:PCBM等有机半导体材料的组合，器件在近红外光照射下能产生0.2V的开路电压和数十纳安的短路电流。

关键技术方法包括：开发亚细胞尺寸光伏器件并通过TMAH蚀刻释放；利用点击化学将器件与单核细胞结合形成混合体；建立脑炎症模型并通过静脉注射递送；采用c-Fos免疫组化和单单位记录验证神经刺激效果；进行全面的生物相容性评估。

亚细胞尺寸自由漂浮无线电子器件

研究团队成功制备了尺寸仅为5-10微米的SWEDs，这些器件采用三层结构：PEDOT:PSS阳极、有机半导体活性层和钛阴极。通过精确控制制备工艺，器件即使在这种微小尺寸下仍能产生足够的电能，在10mW/mm²的光强下产生0.2V的开路电压。

炎症脑区自主植入

研究人员将SWEDs通过点击化学与单核细胞结合，形成细胞-电子混合体。实验显示，86.9%的混合体在迁移过程中保持稳定，并能以5.24mm⁻²h⁻¹的速率穿过内皮细胞层。在小鼠脑部炎症模型中，混合体成功自主植入到目标脑区，而对照组中未观察到类似现象。

脑区特异性刺激

通过c-Fos免疫组化分析，研究人员发现实验组在目标脑区出现了317.8±80.96个/mm²的c-Fos阳性细胞，显著高于各对照组。单单位记录进一步证实，14个记录单元在近红外光刺激下表现出显著的神经活动增加，且响应时间与光脉冲偏移具有精确的时间相关性。

生物相容性研究

全面的生物相容性评估显示，SWEDs对单核细胞和神经元均无细胞毒性。动物实验表明，实验组与对照组在行为测试、血液指标和组织学分析方面均无显著差异。长期观察发现，SWEDs在脑内保持稳定长达6个月，且未引起明显的免疫反应。

这项研究首次实现了无需手术的脑部电子器件植入和精准神经刺激，为神经疾病治疗开辟了新途径。通过融合电子功能与生物细胞的靶向能力，循环电子学技术为未来开发具有传感、分析和反馈能力的智能脑机接口奠定了基础。该技术不仅适用于神经炎症相关疾病，还可扩展到其他需要精准靶向治疗的领域，代表了生物电子学领域的重要突破。