Nature Biotechnology：黑科技，仅头发丝粗细！热拉制智能纤维，实现脑-肠互动机制解析

01导读

肠道被称之为人体的“第二大脑”。肠道与大脑频繁进行信息交换。通过脑-肠互动机制，肠道可以与免疫系统相互作用。同时脑-肠互动机制的理解对于消化系统疾病的诊断和治疗具有重要意义。研究脑-肠互动机制可以深化我们对大脑和肠道之间复杂相互作用的理解，以及促进相关疾病的诊断和治疗手段的发展。这对于人类健康和疾病的预防与治疗具有重要的意义。

由于没有合适的植入式设备，研究大脑和肠道互动机制一直是一个重大挑战。为了解决这个问题，麻省理工学院Polina Anikeeva研究团队利用纤维热拉技术，开发出了一种直径300微米（成年男性发丝为80-400μm）、功能高度集成的智能电子纤维，这种纤维集成了微型发光器件、热传感器、微电极和微流体通道、无线控制模块，可以应用到大脑和肠道中，解析脑肠互动机制。第一作者为Atharva Sahasrabudhe，主要合作者为严威（现纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）教授/博导）。

02 成果简介

近日，《自然生物技术》Nature Biotechnology发表了题为Multifunctional microelectronic fibers enable wireless modulation of gut and brain neural circuits 的论文，报道了一种热拉制智能纤维，其可以实现无线神经记录和刺激，拓展了人们对肠脑轴的神经生理学全新的认识。

主要发现：肠上皮的感觉细胞是肠内分泌细胞，它们与迷走神经相互接触，并可以在毫秒内将信号传递到大脑。另外，神经足细胞分布在整个消化道中，并释放激素和神经递质来调节食物的摄入量。同时发现，使用光遗传学刺激来自肠道的迷走神经，可以在未受限制的小鼠中引发奖励行为。

纤维的主要特点：开发纤维过程中掺入了钨微丝提供低阻抗微电极，适用于电生理学研究，而不损害装置的灵活性，而集成µLED的光强度范围可调节，适用于光遗传学调节。纤维具有长期稳定性，可以与大脑以及肠道兼容，能够在生理环境下保持光的输出，并且在浸泡环境下不漏电；纤维内部的散热状况良好，引起的升温远低于临床应用中的脑电刺激；同时具有很好的机械性能，相对尺寸相似的探针具有更好的柔性和机械适应性，由此纤维可以被设计成各种结构，而纤维与µLED的结合稳固，即使在大弯曲角度下也能保持稳定的光输出。

03 论文主要结果概览

04 总结与展望

热拉制多材料多功能纤维实现了与无束缚行为小鼠的大脑和胃肠道的稳定生物电子接口。利用热拉方法的可扩展性生产了数十米的微型聚合物丝，可以沿其表面集成固态电子与光电子器件。再加上纤维力学的确定性可调性，这种方法提供了很好的设计灵活性。

脑纤维能够实现基因递送、特定神经元视蛋白表达的动态和慢性光电生理监测、单神经元记录、麻醉诱导的脑低温感测以及奖励行为的无线可编程光学控制。柔软的肠道纤维允许将光和营养物质输送到小鼠肠道中横跨几厘米的靶向部位，微电子纤维在大脑和肠道中传递或感测多种刺激以及同时与两个器官接口的能力为其在肠-脑信号研究中的应用奠定了基础。模仿组织级力学的材料和纤维结构的未来创新可以将微电子纤维的应用范围扩展到肠道以外的外围器官。

作者简介：

严威教授，四青人才，中国“35岁以下科技创新35人”（麻省理工科技评论），“上海市领军人才”专家。东华大学材料科学与工程学院及纤维材料改性国家重点实验室研究员、博士生导师。曾任新加坡南洋理工大学（QS世界排名19）“南洋助理教授”，材料科学与工程学院及电子与电气工程学院双聘，博士生导师。美国麻省理工学院MIT博士后，瑞士联邦理工学院EPFL博士。从事智能材料、柔性电子、纤维电子与光电子、智能与计算织物的基础与应用研究。以通讯/第一作者在Nature、Nature Nanotechnology等发表论文30余篇。获国际先进材料协会青年科学家金奖，德国跨界创新基金会科学突破奖最终候选人（全球30人，其他如美国四院院士John Rogers），美国国家航空航天局科技竞赛一等奖，瑞士联邦理工学院博士学位论文奖 （唯一获奖人），国际电气与电子工程师协会最佳青年科学家奖， 美国光学学会最佳论文奖，iCanX青年科学家奖（全球10人），《Advanced Fiber Materials》 (1区，IF:12.9) 青年编委杰出贡献奖等荣誉称号。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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