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利用石墨烯打造神经探针芯片,有望改善神经退行性疾病

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  • 发布时间:2020-05-13 17:23
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【概要描述】陈右颖教授跟交大材料科学与工程系陈三元教授、台北医学大学神经再生医学博士李宜钊教授、中研院生医所黄圣言助理研究员成立跨领域团队,利用石墨烯材料开发出具有多维度神经活动电信号感测、化学物质探测与深脑刺激功能的微型神经探针芯片,且具备磁共振造影相容特性,可以避免磁共振造影下产生涡电流伤害脑部组织与影像失真的问题。

利用石墨烯打造神经探针芯片,有望改善神经退行性疾病

【概要描述】陈右颖教授跟交大材料科学与工程系陈三元教授、台北医学大学神经再生医学博士李宜钊教授、中研院生医所黄圣言助理研究员成立跨领域团队,利用石墨烯材料开发出具有多维度神经活动电信号感测、化学物质探测与深脑刺激功能的微型神经探针芯片,且具备磁共振造影相容特性,可以避免磁共振造影下产生涡电流伤害脑部组织与影像失真的问题。

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如何缩短诊断与治疗的时间差,一直是亟待克服的难题。台湾阳明大学医学工程系陈右颖教授团队利用纳米材料石墨烯,重新打造神经探针芯片,深入脑部探测神经活动信息,包括电信号与化学物质释放,以及深脑刺激治疗,克服过去神经芯片没有办法与磁共振造影同时使用的局限,让诊断治疗合二为一。

 

生物医学芯片通常利用半导体与微机电技术制作而成,可用于生化分析、疾病的检验与新药研发。不过对于脑疾病的检测与治疗,过去受限于芯片的长时间植入生物相容性问题与磁共振脑影像失真影响,导致使用传统生物医学芯片探测神经电信号或化学物质,进行深脑刺激治疗时,无法同步整合脑部电脑断层扫描与磁共振造影信息,进行功能性脑部植入定位与治疗效果评估。

 

石墨烯是目前世界上已知最薄、最坚硬、电阻率最小的纳米材料,研发出这项新兴材料的科学家更因此获得2010年诺贝尔物理奖,目前广泛应用在航空航天、能源、信息等领域。在科技部“台湾脑科技发展及国际跃升计划”跨领域整合性研究的支持下,陈右颖教授跟交大材料科学与工程系陈三元教授、台北医学大学神经再生医学博士李宜钊教授、中研院生医所黄圣言助理研究员成立跨领域团队,利用石墨烯材料开发出具有多维度神经活动电信号感测、化学物质探测与深脑刺激功能的微型神经探针芯片,且具备磁共振造影相容特性,可以避免磁共振造影下产生涡电流伤害脑部组织与影像失真的问题。

 

团队目前已经在动物实验中获得重要成果,不仅验证应用还原氧化石墨烯神经探针芯片对大脑进行高频率电刺激的深脑刺激术能改善自闭症与阿兹海默症的认知与记忆等核心症状,同时也让研究团队在第一时间通过磁共振造影观察脑影像,获知电刺激神经网络连结变化并评估其后的治疗成果。

 

以石墨烯打造的神经探针芯片

 

研究团队将神经探针芯片植入动物掌管行为与认知功能的丘脑部位,进行每日30分钟,为期六日的深脑刺激,并利用磁共振造影观察脑区活化情形,证实经过芯片上微电极刺激后可以改变自闭症动物模型的神经突触可塑性,进而改善自闭症的社交缺损症状。在另外一项研究中,开发了memory prosthesis的治疗技术,在动物实验中成功验证出该团队所开发的神经探针芯片可以增强认知功能与记忆力,有效提高最多达50%。这在未来或许有很大机会成为改善阿兹海默症等神经退行性疾病的治疗工具之一。

 

团队也利用相同的技术,测量血液中Aβ胜肽的类淀粉蛋白斑块沉积。过去阿兹海默症主要病理特征是神经细胞外出现类淀粉蛋白斑块堆积,这项特征多半只能依靠脑影像来观察。运用陈右颖教授研究团队发展的石墨烯神经探针芯片,就能测量血清中的Aβ胜肽的水平,相较于正子摄影以及行为测试,更有助于早期诊断阿兹海默症。

 

陈右颖教授实验室团队

 

陈右颖教授表示,过去神经芯片在植入人体后,常受限于手术黏附与发炎,而影响传感信号品质,但以还原氧化石墨烯作为芯片传感介面具有绝佳高导电性,同时在芯片外围包覆一层抗发炎因子,能克服过去没有办法达到的生物相容性与信号品质。他说,对于像是自闭症或阿兹海默症等脑部疾病,传统上只能依赖行为或脑影像来判断,有了可以和磁共振造影相容的神经芯片,就能结合电生理与脑影像,针对不同的治疗需求,设计出探测脑内多巴胺、葡萄糖、过氧化氢等生物信号的精准生物医学芯片,有助于垂直整合诊断与治疗,且为精准医学发展奠定稳固的基石。

 

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