The development of a neuronal tissue compliant neural probe is necessary to achieve chronic implantation with minimal signal loss. Although fiber-based neural probes fabricated by the thermal drawing process have been proposed as a solution, there is still mechanical and biochemical mismatch between polymer based fiber neural probes and brain tissue. Here, we proposed a multifunctional, biocompat- ible and soft hydrogel neural probe with functional components of electrode, optical waveguide, and passive drug delivery. The hydrogel electrode, made with poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) and reduced graphene oxide, and hydrogel waveguide was examined to have adequate functionalities for the electrophysiological recording of extracellular potential and for the optogenetic stimulation. On the other hand, the soft hydrogel sham probe was found to elicit less foreign body response than other sham probes made with rigid materials (steel, silica, and polycarbonate). Furthermore, the hydrogel neural probe was observed to have capability of delivering the hydrophilic anti-inflammatory drug, dexamethasone 21-phosphate disodium salt, expected to more alleviate the foreign body response. This research proposed a new type of implantable neural probe, all which is made with the polyurethane hydrogel, and it is expected to elongated the lifetime of neural interface with minimal immune response. We believe our hydrogel fiber probe will be extensively utilized for chronic neuroscientific researches and cllinical applications for the extended periods of years or decades.
침습적 신경 인터페이스는 높은 시공간 해상력을 바탕으로 미세한 신경 활동 관측과 자극을 가능하게 하지만, 그 사용이 장기간으로 길어짐에 따라 수반되는 외부 물질 반응이 신호 손실을 야기해 장치의 수명이 줄어든 다는 약점을 가지고 있다. 따라서 장기간 작동하며 신호 손실을 최소화하려면 신경 조직에 친화적인 신경 인터페이스를 구축하는 것이 필수적이다. 열 인발 공정을 통해 제작하는 섬유형 신경 탐침이 해결책으로 제시되어 왔으나, 여전히 폴리머 기반의 섬유기반 탐침과 뇌 조직 사이의 기계적 및 생화학적 특성의 간극은 크다. 따라서, 우리는 이 연구를 통해 다 기능성 및 생체친화성을 특징으로하는 유연한 하이드로젤 신경 탐침을 제안한다. 우리의 하이드로젤 신경 탐침은 전극과, 광섬유, 그리고 약물전달의 기능성을 포함한다. 전도성 폴리머와 환원된 산화 그래핀으로 만든 하이드로젤 전극과, 하이드로젤 광섬유는 세포 외부 전위의 전기생리학적 기록과 광유전학적 자극에 필요한 수준의 기능성을 가지는 것을 확인했다. 한편, 유사 하이 드로젤 탐침이 스테인리스 스틸, 실리카와 폴리카보네이트보다 적은 수준의 외부 물질 반응을 유발한다는 것을 확인하였다. 추가적으로, 하이드로젤 신경 탐침이 친수성 항염증 약물을 유의미한 수준으로 전달 할 수 있음을 확인하였으며, 이는 외부 물질 반응의 수준을 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구를 통해 우리는 전부 하이드로젤로 만들어진, 새로운 타입의 침습적, 다기능성 그리고 생체친화적 신경 탐침을 제시한다. 우리는 하이드로젤 신경 탐침이 더욱 발전되어 수 년 혹은 수십 년의 수명을 가지고, 추후 질병치료 목적의 의료 분야와 신경과학의 연구에서 광범위하게 사용 될 것이라 기대한다.
