基于石墨烯的磁共振成像与神经电极兼容性优化方案

电生理测量与磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）的同步联用无论对临床医学还是基础脑科学应用，都具有很重要的意义。很多基于金属和硅的电极材料，即使没有铁磁性，在MRI成像过程中也会使磁场产生很大程度的扭曲，使得电极记录或刺激的脑区及其周围大面积部位被电极伪影遮挡从而不可见，严重影响结构和功能MRI对大脑的成像和大脑活动的检测。

2016年，笔者报道了一种用石墨烯薄膜包覆的铜微丝（G-Cu）制备的MRI兼容神经电极（图3-18）。该微电极使磁场产生扭曲的主要原因是电极材料与生物组织／水磁化率的不匹配。因为铜具有和水高度接近的磁化率，所以铜非常适合用于制备MRI兼容的神经电极。然而，铜植入物会对生物组织和细胞产生很大的毒性，裸铜材料不能直接用于制备植入式电极。基于此考虑，我们利用化学气相沉积法在铜微丝上生长了高质量石墨烯薄膜，包覆铜丝以抑制铜的腐蚀溶解，消除其生物毒性。通过7.4T MRI研究，我们发现，石墨烯薄膜包裹的铜微丝电极的伪影为同尺寸铂铱合金电极伪影的5％～10％。通过离体和在体生物相容性研究，我们发现，石墨烯薄膜包裹的铜微丝电极具有和惰性金属（如铂）相似的生物安全性和生物相容性，说明石墨烯的包裹在不改变铜磁化率的前提下，有效地消除了铜的毒性。同时，我们利用该电极在大鼠海马区成功记录到了高信噪比的单神经元放电信号和局部场电位信号。[48]

图3-18　石墨烯薄膜包覆的铜微丝（G-Cu）用于MRI兼容的神经电极[48]

对神经电刺激来说，电极需要有更高的电荷注入容量，从而保证在安全的前提下提供有效的电刺激。在前述工作基础上，我们开发了一种具备高MRI兼容性、高电荷注入能力和高刺激稳定性的石墨烯纤维电极[图3-19（a）][49]。针对目前功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）与脑深部电刺激联用技术在神经环路研究中存在部分脑区信号缺失的缺点，我们提出了基于石墨烯纤维电极进行DBS-fMRI研究的方法。我们通过水热合成法制备了以石墨烯纤维为主体的MRI兼容刺激电极，扫描电镜图像显示了该电极具有多层石墨烯结构，且刺激位点表面粗糙多孔，拥有较大的比表面积[图3-19（b）]。电化学表征结果证实了该石墨烯纤维电极的阻抗为同尺寸的铂铱合金（临床DBS电极材料）电极阻抗的12.5%（频率为1kHz时），同时，该石墨烯纤维电极的阴极电荷存储容量（Cathodal Charge-storage-capacity，CSCc）和电荷注入密度分别比同尺寸铂铱合金电极大400倍和50倍，展现出了优良的电化学性能。在体与离体的老化实验证明了其电化学性质稳定，在长期的过电流负载刺激下，电极依然可以稳定工作。(www.xing528.com)

图3-19

（a）高MRI兼容性的石墨烯纤维电极；（b）石墨烯纤维电极的SEM图像；（c）帕金森综合征大鼠模型的DBS-fMRI[49]

通过9.4T MRI表征，我们发现石墨烯纤维电极的T2序列伪影、EPI序列伪影分别为同尺寸铂铱合金电极伪影的12.5%、25％。石墨烯纤维电极周围脑区的信噪比显著高于铂铱合金电极信噪比。同时，石墨烯纤维电极不会对周围静磁场产生任何影响，证实了石墨烯纤维电极具有优异的MRI兼容性。我们利用石墨烯纤维电极在帕金森综合征大鼠模型上开展了DBS-fMRI研究，成功观察到电极所在脑区以及周围脑区的血氧水平依赖（Blood-oxygenation-level-dependent，BOLD）信号，并获得了DBS刺激下整脑范围内完整的fMRI脑激活图案[图3-19（c）]。在以丘脑底核（Subthalamic Nucleus，STN）为刺激靶点的DBS中，我们观察到了包括刺激靶点在内的皮层及皮层下多个脑区的激活，通过研究不同电刺激频率对不同脑区BOLD信号幅值的影响，发现电刺激频率为100Hz和130Hz时，效率高于10Hz和250Hz的刺激，这与临床帕金森综合征治疗中所用的电刺激频率一致。