郭 媛元
东北大学 跨学科科学前沿研究所／医工学研究科 副教授
2021年起担任创发研究支援项目研究代表
在大脑中，神经细胞通过电信号以及神经递质、离子等化学物质进行信息传递。要解析脑功能，必须对这些信号进行详细测量。日本东北大学跨学科科学前沿研究所的郭媛元副教授正在致力于将测量装置集成到一根纤细的多功能纤维中，以便实现对生物体内外各种信号的同步测量。郭媛元副教授正在探寻“Biofibertronics”（生物纤维电子学）研究领域的广泛可能性。
搭载电极等的金属线
制造方法与金太郎糖同样
大脑神经细胞之间的电信号相互传递，使的我们能够进行各种活动。但由于神经细胞之间存在名为“突触”的间隙，电信号需要先转换成多巴胺、血清素等神经递质。当这些物质与下一神经细胞的受体结合时，离子通道打开，钠钾等离子流入流出，从而在下一个神经细胞中产生新的电信号并将信息传递下去。要同时测量这种电信号与神经递质、离子等神经化学物质是非常困难的。
日本东北大学的郭媛元副教授的手中拿着的是，乍一看就是一根细长的金属线，其直径不足1毫米。纤细的线材拿在手中会自然下垂，宛如丝线般柔软的质感（图1）。但金属线中却搭载有电极和传感器等装置，能够实现电信号与神经化学物质的同步测量。
图1 多功能纤维
虽如丝线般柔软，但其内部却搭载了电极、生物传感器等器件，可测量多种信号。
用显微镜观察纤维截面，可看到半透明材质中的内部结构。关于其制造方法，郭副教授表示，“就像做金太郎糖一样”。金太郎糖通过将不同颜色的糖块层层堆叠，经加热拉伸成细长形状后切片而成。多功能纤维也是将电极、传感器等嵌入聚合物中，通过加热拉伸制成（图2）。这种名为“热拉伸技术”的工艺，也被用于制造通信光纤。
图2 多功能纤维制造方法
首先，制作在聚合物中嵌入电极和传感器等器件的“预制件”，然后通过加热拉伸，加工成细长的纤维状。
追求纤细而柔韧的性质
还有着眼于商业化的小型装置
郭副教授在硕士期间在日本东北大学主攻电子工程学专业，研究半导体与生物分子相结合的半导体生物传感器。随着研究的深入，她产生了用传感器实际测量生物体内信号的想法。出于对脑科学研究的兴趣，她决定将研究领域从电子工程转向医工学，并进入该校工学科博士课程深造。
郭副教授回顾道：“当时我认为要测量脑功能，就需要对生物体相容性好且柔软的纤维，而且实现同时测量神经递质与离子等神经化学物质以及电信号等多种脑活动至关重要。”于是她开启了能够满足测量神经化学物质以及电信号双方特性的纤维研究，为实现纤维植入体内而追求极致的纤细柔韧特性，其成果就是本文开篇介绍的丝状多功能纤维。
目前，郭副教授的实验室配备有3台自制的多功能纤维制造装置，还有着眼于到商业化的小型设备（图3）。用于测量生物体内外信号的电子技术被称为生物电子学，但郭副教授把用纤维来捕捉生物信号的想法命名为“Biofibertronics”，希望今后能进一步拓展该研究领域。
图3 多功能纤维制造装置
照片中右侧就是使用热拉伸技术制造多功能纤维的装置。体积小巧，即使在空间受限的场所也能设置。
单根纤维分岔技术
章鱼触手式“三维探针”
郭副教授自2021年起，从事JST的创发研究支援项目“面向脑功能解析的多功能三维神经探针的开发”的相关研究。虽然目前已有一些脑内信号的检测技术，但还只能测量脑内某个部位的某一类信号，存在“测量器件材质过硬，对脑组织可能造成损伤”等课题。
郭副教授介绍说，与传统器件相比，多功能纤维则具有“不仅是化学物质和电信号，还能同时测量光信号”的优点。为了解决同时测量脑内多个场所的问题，她的设计出从单根纤维分岔出多根分枝纤维，如同章鱼“触手”般的“三维探针”。这种探针作为测量装置，若内置驱动元件即可实现各分支纤维的精密动作，将纤维精准延伸至目标测量脑区。
目前郭副教授的团队正尝试两种触手的制造方法：一种是将嵌入了电极与传感器的聚合物预制件中注入类似粘合剂的物质形成纤维束，在热拉伸时粘合剂融化实现纤维分束；另一种是在热拉伸过程中通过轴心多孔结构实现纤维分枝。
成功实现特定物质的高灵敏度检测
脑神经疾病治疗应用未来可期
郭副教授提出了多功能纤维研究的三大方向并正在推进相关研究。第一是测量生物体内电化学信息，通过施加热、光、电、磁刺激来帮助治疗。通过灵活应用多功能纤维，已经确立了对脑电活动的长期监测技术。但是要从神经细胞释放的多巴胺、血清素精准检出某一种特定的神经递质还比较困难。既往方法需荧光标记特定区域，不仅操作繁琐，荧光还有可能改变生物体的机能。
对此，郭副教授通过在多功能纤维的电极上连接名为“适配体”的特殊分子，成功实现了不受多巴胺以外的物质影响，仅对多巴胺作出反应的高灵敏度检测（图4）。在电极连接适配体时曾经花费了不少的心血。郭副教授回顾说：“看似均匀的材料表面若存在电化学差异，就会影响连接效率。我们用了大约1年半的时间反复改变实验条件，才实现了稳定连接。”
图4 可检测神经递质与离子的多功能纤维
在搭载了碳电极的纤维表面修饰多巴胺适配体，实现了多巴胺特异性传感；结合离子选择膜固定技术，还可同步检测钠、钾、氯化物离子；集成微型热电偶还实现温度与pH得同步测量。
此外，郭副教授的团队还成功实现了用一根多功能纤维测量维持脑稳态的钠、钾、氯化物的离子浓度。还开发出了同时测量局部温度变化与体内化学物质变化的纤维。纤维的应用前景远不止于生物体内的物质检测。郭副教授介绍说，“在纤维内制作微型线圈，通电即可产生磁场，用这个磁场可无创精准地局部刺激脑以及末梢神经，为神经疾病的治疗以及查明脑功能提供新的可能”。
另一方面，为了未来实际用于脑神经疾病的治疗，还需要完成安全性评估、合规评估、临床协作体系的构建等环节。通过与临床的紧密合作与反馈不断优化技术，设计开发兼具易用性、安全性、稳定性的纤维，对于今后实现社会化应用极为重要。
实现Lab-in-Fiber
用于生物体样本分析
第二个方向是生物体试料分析，也即纤维内实验室（Lab-in-Fiber）的技术应用。目前郭副教授的团队通过热拉伸时的水平方向扭转工艺，成功在纤维内部构建出了螺旋空腔。物质流经螺旋空腔时会产生离心力，可以实现按重量分离物质。郭副教授认为该结构还可作为混合不同物质的微型混合器，目前正在推进研发。此外，在多功能纤维内集成螺旋电极与微流道器件，制作用于蛋白质、DNA等的分离及分析的纤维型电泳器件也在开发之中。
第三个方向是应用于可穿戴领域。将多功能纤维做得更细，就可使其成为可进行纺织加工的纤维。将这种纤维织入衣物与皮肤接触，可以在穿着衣服的人无感觉的情况下，检测汗液中钠离子与尿酸浓度等（图5）。通过掌握这些成分的数值，可评估身体的健康状态。
图5 可检测汗液成分的纤维
衣物中织入了可检测钠离子、尿酸的多功能纤维，在接触皮肤部位测量汗液成分
今后，除了汗液外，如果还能同时测量体温、心率、脑电波等数值的话，还可期待用于健康管理及疾病预防等广泛的用途。从获取脑内信息、施加刺激的体内应用，到作为实验装置的体外应用，再到作为纤维材料用于可穿戴领域，多功能纤维的应用场景极为丰富。
筹备初创企业
保持好奇心争取更大发展
为了让自己开发的多功能纤维实现技术转化，郭副教授正接受日本东北大学“商务孵化器”的支援，筹备成立初创企业。她谦逊地表示正在朝着创业的方向迈进：“多年来一直专注科研，对企业并不太了解，所以现在正在与负责业务开发的成员一起合作推进企业的筹备工作，非常感谢与我合作的这些成员”。
郭副教授还表示，为了能够拓展多功能纤维的未来应用，保持好奇心极为重要。“我常跨界探索其他领域，并不局限于参加学会”。比如吹制玻璃，“就在加热过程中拉伸这一点而言，吹制玻璃和多功能纤维有相同之处。如果纤维能像吹制玻璃一样变成艺术品，岂不是很有趣？”
科研之路虽然充满辛苦，但郭副教授认为实验成功时充满感动。而且更让人感到欣慰的是学生的成长。“当学生提出积极意见时，就能感受到一起做研究的价值”。郭副教授充满信心地表示：“未来肯定会遭遇诸多挑战，但一定会坚持不懈地推广生物纤维电子。”我们也乐见多功能纤维应用于医疗等众多领域的时代的到来。（TEXT：岛田祥辅 / PHOTO：岛本绘梨佳）
“坚持不懈地推进自己想做的研究，会促使你成长。正因为有失败才会有成长，所以即使失败了也没有关系。我希望各位学生要不惧失败，勇于挑战。”
原文：JSTnews 2025年5月号
翻译：JST客观日本编辑部
