植入式神经接口概述
植入式神经接口（NI）作为一类电子设备，能与神经系统相互作用，通过感知（记录）或刺激神经活动来治疗神经疾病。与其他植入式生物电子设备不同，它被植入神经组织（如大脑、脊髓或周围神经）中或附近。像耳蜗植入、深部脑刺激（DBS）、脊髓刺激（SCS）等多种神经接口已获市场批准并成功应用于临床数十年。这些设备的主要组件包括脉冲发生器（用于刺激）和 / 或数据采集（DAQ）设备（用于记录）、电源和通信模块、封装、导线和互连以及电极。尽管植入式 NI 取得了一定成果，可改善许多患者的健康和生活质量，但各组件都可能成为潜在的故障源，面临着技术、机械和生物学等多方面的挑战。
面临的挑战
- 技术和机械故障：植入式脉冲发生器和 DAQ 通常由电池和电子元件组成。完全植入式的刺激器和记录 DAQ 虽避免了经皮导线带来的感染风险，但电池更换或充电问题成为难题。若电池不可充电或最终失去充电能力，就需要进行 revision 手术。而且，复杂系统对电力需求大，会增加电池负担，还可能导致设备体积增大，引发皮肤问题，如皮炎或压疮。此外，无线通信的功率消耗也会影响电池寿命，同时维持气密密封和防止引线损坏也是技术难点。引线易受机械疲劳影响，出现断裂、绝缘层破裂等问题，进而导致电气泄漏和设备故障。电极方面，其制造工艺差异可能导致质量问题，且电极几何形状会影响电荷分布，引发不可逆反应，造成电极腐蚀和组织损伤。
- 生物反应：任何植入体内的异物都会引发异物反应，影响 NI 的疗效。在中枢神经系统（CNS）中，植入设备会破坏血脑屏障（BBB），导致免疫细胞浸润、神经元损伤和组织炎症。巨噬细胞、微胶质细胞等免疫细胞会释放炎性因子，损害电极材料和神经组织，最终形成胶质瘢痕，降低信号质量。在周围神经系统（PNS）中，植入设备会引起创伤和血管损伤，导致血浆蛋白吸附、炎症细胞浸润，最终形成纤维性瘢痕，增加电极 - 组织界面的阻抗。
- 微和宏观运动：引线和电极的迁移可能由张力或重力引起，会导致设备故障，还可能损伤周围结构。宏观运动如脊髓相对于脊柱的运动，会影响电极稳定性；微观运动如呼吸、心跳等引起的组织微动，会导致组织损伤和神经元损失，降低记录信号质量。
临床影响及分级
当植入式 NI 发生故障时，会产生临床后果，包括治疗效果丧失、症状复发或出现新的并发症，如感染、组织损伤等。并发症可分为严重不良事件（SAEs）和不良事件（AEs），但两者界限模糊。为了更好地指导临床决策，根据 Clavien - Dindo 分级系统，制定了针对植入式 NI 故障导致的临床并发症严重程度的分级指南，从轻微的疗效损失到威胁生命的并发症都有明确的分级和示例。
慢性测试以提高设备寿命
为确保植入式 NI 的可靠性，需要进行全面的测试，包括台式测试、急性和慢性体内测试，以及计算建模。通过这些测试，可以识别故障模式，评估设备性能和组织反应。例如，对引线进行疲劳测试，对电极涂层进行附着力测试，对设备进行加速老化测试等。在体内测试中，使用与临床相关的动物模型，监测设备在不同时间点的功能和物理完整性，通过电化学测量、电生理测量等方法评估电极 - 组织界面的变化，以及监测炎症反应等。
未来展望
随着纳米工程、材料科学、电磁学和光遗传学等领域的技术进步，植入式 NI 的未来充满希望。通过慢性体内实验，可以识别故障模式并采取创新解决方案。例如，使用转基因小鼠模型研究基因对 NI 性能的影响，采用新的手术方法减少组织创伤，开发新型材料和电极设计提高生物相容性，探索新的无线通信和能量传输技术等。此外，还需考虑软件和数据相关的问题，如编程方法的改进、数据安全和伦理问题等。
结论
植入式神经接口在治疗多种疾病方面已取得显著成功，但仍面临机械、技术和生物学等多方面的障碍。通过材料科学和工程的进步，以及慢性体内测试的不断优化，可以提高设备的长期生物相容性，推动植入式神经接口在临床中的广泛应用，为更多患者带来福祉。
生物通微信公众号
