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傳統神經界面的限制與挑戰
神經界面技術是理解大腦工作機制、解碼復雜行為的關鍵。目前商業化的神經界面技術主要基于傳統硅基或金屬材料開發，存在如下限制：
機械性能與生物組織不匹配，引發免疫反應，導致附近的神經元和神經膠質細胞顯著損傷甚至死亡，并堆積在硬質電極周圍區域，進一步削弱神經界面探測大腦信號的能力和在生物環境中的功能穩定性。此類植入式電極易失效，難以長期穩定植入。
為了提高捕捉神經元信號的空間分辨率，電極尺寸需盡可能減小而電極數應進一步提升。降低電極尺寸導致阻抗增加，影響電極檢測低幅、高頻信號的能力，并且需要更大的刺激電位來驅動，一定程度上也會影響植入安全性。
植入式神經電極技術的發展史：越來越軟的材料和越來越靈活的設備
水凝膠在神經電極界面技術中的應用潛力
近期，清華大學深圳國際研究生院徐曉敏教授團隊在Communications Materials上發表的綜述文章中，揭示了水凝膠在下一代神經界面中的應用潛力。
應對新一代神經電極的材料挑戰，文章首先介紹了水凝膠的特性，包括其機械性能、溶脹性能和導電性。水凝膠是由聚合物鏈構成的三維網絡，其機械性能可通過改變網絡結構設計、交聯程度和單體或大分子濃度來調節，以具備和腦組織相近的楊氏模量和可控的組織/細胞黏附力，最大程度減小植入帶來的負面影響。然而，水凝膠不可避免的高溶脹性能卻常常限制其在體內環境的應用，這就需要通過優化工藝和結構設計來避免。此外，水凝膠普遍的低導電性是影響其作為神經界面的關鍵，其導電機制分為離子導電和電子導電兩種，通過合理設計可以實現與生物電子設備兼容的導電性能。
水凝膠材料的導電機制與性能
研究團隊總結了水凝膠作為神經電極的一些應用實例，包括作為涂層材料和獨立電極的不同應用場景。用作電極涂層的水凝膠通過提升電容、優化界面粘附性和生物相容性，能夠提高傳統神經電極的電化學性能和界面的機械、生物穩定性。進一步，開發具有高導電性、生物相容性的水凝膠材料，用作獨立的神經電極或電極陣列主體材料，能夠有效獲取神經元信號，并且實現傳統電極前所未有的組織貼合度和長期植入穩定性，為新一代神經電極帶來重要的范式變革。
水凝膠在神經界面技術中的應用實例
文章最后展望了水凝膠在生物電子學領域的未來發展方向，強調了仍然存在的導電性制約、高精度圖案化等制造工藝等方面的挑戰。通過精確設計水凝膠的組成和結構，輔以高通量制備方法、可編程模式化和有機-無機模塊穩定集成等技術支持，將有望實現神經信號的高分辨率記錄和長期穩定監測，為深入理解神經網絡和大腦的奧秘提供嶄新范式。
論文信息
發布期刊 Communication Materials
發布時間 2024年6月12日
文章標題 Hydrogels for next generation neural interfaces
（https://doi.org/10.1038/s43246-024-00541-0）
程思敏 | 作者
酥魚 | 編輯
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