突破生物医疗的又一个技术瓶颈

访注射式微型光电子器件研究人员吕朝锋

　　

新华网华盛顿４月１１日电（记者林小春　任海军）一种可以不造成损伤地插入鼠脑并成功控制、干扰其行为的注射式微型光电子器件已经问世，相关论文１１日刊登在美国《科学》杂志上。论文作者之一、浙江大学副教授吕朝锋指出，这是高性能半导体光电子器件与动物大脑内部组织的直接集成，“突破生物医疗的又一个技术瓶颈”。

吕朝锋在接受新华社记者采访时说，这并不是科学家第一次尝试将器件插入动物大脑，但以往的研究都面临一个共同问题，那就是器件工作时会因为发热导致脑组织温度过高，进而造成脑细胞大量死亡，对大脑损伤较大，不具实用价值。此次设计的器件在工作时能将脑组织的温度升高控制在０．１摄氏度以下，基本不会对大脑造成损伤。

“在我们的这个光电子器件中，温度是一个非常重要的技术难点”，吕朝锋说。

这项研究由美国、中国和韩国多个研究机构的研究人员共同完成，其中器件在动物大脑中工作时的温度控制和热管理问题由美国西北大学土木与环境工程系黄永刚教授的小组负责，吕朝锋是在受浙江大学“学术带头人后备人才出国研究专项计划（新星计划）”资助赴黄永刚教授小组访问研究期间参与到这项研究中的。

“与传统光纤器件相比，此次设计的器件有３个显著特点”，吕朝锋说。第一个特点是“小”，整个器件只有细胞尺度大小。其核心是微型发光二极管，厚度为６．４５微米，约是头发丝直径的十分之一，而平面尺寸也只有５０微米×５０微米，与头发丝直径相当。即便集成精密光学、热、电生理传感器和驱动器，最终器件的总厚度也只有２０微米左右。与之相比，传统约束型光纤器件尺寸较大，发光二极管尺寸往往达到毫米量级，生物应用受到很大限制。

第二个特点是“软”。高度柔软的特点使其可以通过微型针头精确地植入脑组织内的任何部位，从而实现精确的光子传输以及与神经元的直接交互，且不会导致脑组织损毁、神经元损耗以及后期炎症等。而传统器件往往造成不同程度的脑组织损伤，或者无法实现与神经元的直接交互。

第三个特点是“轻”。该器件不像传统器件那样需要外加复杂的激光源、有线网络、电源以及光机硬件设备，而只是在动物大脑外部配备无线电装置。这一装置也非常轻，重量仅有约２克，因此不会影响动物的任何行动。

在这个实验中，研究人员采用生物可溶性的素丝蛋白粘结剂将该器件粘结在微型针头上。将微型针头插入鼠脑的指定位置后，借助素丝蛋白粘结剂的生物溶解可将微型针头单独拔出，而只将光电子器件留在鼠脑中。“实验表明，我们的无线控制可成功实现对小鼠的滚轮奔跑、迷宫行走、两只小鼠的互动交流等各种复杂行为模式进行干扰”，吕朝锋说。

吕朝锋表示，在突破温度瓶颈之后，这种半导体光电子器件在光遗传学以及软组织器官的微创手术方面具有广阔的应用前景，器官组织深部注射器件与集成技术将极大地推动基础医学研究和临床医疗技术的发展。