《Chem. Soc. Rev.》中科院长春应化所张强：植入式水凝胶电极综述！

脑机接口（BCI）的使用正迅速成为诊断和治疗各种脑部疾病的变革性方法。通过促进大脑和外部设备之间的直接通信，BCI 有可能彻底改变神经活动监测、有针对性的神经调控策略和大脑功能的恢复。

然而，BCI 技术在实现长期、稳定、高质量的记录和准确调节神经活动方面面临着重大挑战。 传统的植入式电极主要由金属、硅和碳等刚性材料制成，具有出色的导电性，但可能存在异物排斥、神经信号衰减等问题。为了解决这些限制，鉴于水凝胶与脑组织的机械和化学相似性，水凝胶正在成为BCI的有前途的候选者。

这些水凝胶由于其三维富水结构、柔软的弹性特性、生物相容性和增强的电化学特性，特别适用于植入式神经电极。这些卓越的功能使其成为信号记录、神经调节和神经系统疾病有效疗法的理想选择。

近期， 中国科学院长春应用化学研究所张强研究员团队 提供了对植入水凝胶电极及其在推进BCI技术中的作用的全面分析（图1），重点介绍了它们在神经信号记录和神经调控技术方面的独特特性，其最终目的是治疗脑疾病 相关研究成果以 “Implantable hydrogels as pioneering materials for next-generation brain–computer interfaces” 为题于2025年3月4日发表在《 Chemical Society Reviews 》上。

图1 水凝胶神经电极性能，神经信号记录，神经调节和脑部疾病治疗示意图

植入式水凝胶电极是下一代BCIs的关键，因其机械和化学特性与脑组织兼容，具有大规模含水的三维结构及增强的电化学性能，是神经信号记录和神经障碍调制治疗的理想选择。植入式水凝胶电极可在不同的空间尺度和解剖结构上监测神经活动。

为了实现有效的双向通信，植入式水凝胶必须具有特定的特性，如电导率、模量、模量匹配、粘附、生物相容性、透明度和多孔性等（图2）。虽然植入水凝胶在BCIS中显示出对神经调节的希望，但在优化其实际使用的特性方面仍然存在重大挑战。正在进行的跨学科研究和创新正在解决这些问题，旨在为有效且可靠的BCI提供必要的电气，机械和生物学特征。表1总结了文献中报道的植入式水凝胶材料的典型特性。

图2 植入式水凝胶电极的特性

表1 水凝胶材料的电化学性能、杨氏模量、生物相容性及其应用总结

神经系统通过神经网络产生和传输调节情绪、运动、感知和学习的神经信号。当神经元的膜电位受到足够刺激时，会引发动作电位（AP），这是纳米级生物电子活动的基本单元。

在细胞水平上，细胞外电位随距离源（如神经元胞体或轴突）的增加而迅速衰减。同步神经元活动的叠加导致组织规模的振荡和电势节律，称为局部场电位（LFPs）。

植入式电极用于在脑组织和外部电子设备之间建立电连接，实现信号和信息的传输。鉴于组织-电极界面的复杂性和可变性，战略性指导方法对于下一代生物电子材料和设备的成功开发至关重要（图3）。

本文探索了水凝胶在记录脑神经信号方面的独特优势，并回顾其最新进展，特别是植入式水凝胶在检测大脑信号中的作用。主要包括对单神经元棘波的记录（图4）和局部场电位记录（图5）。

图3 脑神经信号记录示意图

图4 植入式水凝胶用于单神经元棘波记录

图5 植入式水凝胶用于局部场电位记录

神经调节是一种通过光、电、声等外部刺激影响神经系统，治疗神经和神经精神疾病的新兴技术。它通过改变神经元膜电位，调节神经递质释放，从而激活、抑制或调节神经网络行为。

神经调节可精确刺激功能障碍的神经回路，改善疾病结果，是恢复或增强运动、感觉和认知功能的有力工具。其主要挑战在于实现高精度刺激并减少对周围组织的损害。结合神经记录与调节技术对于实时监测脑活动、确保安全有效调节至关重要。材料创新对确保神经调节的有效性、安全性和长期稳定性具有重要意义。

水凝胶因其与脑组织相似的物理化学性质，成为神经调节的理想材料，可用于输送光信号、电脉冲和超声波等神经调节剂（图6）。

尽管水凝胶在神经调节领域具有优势，但相关研究仍处于早期阶段，目前报道的实例有限，且大多与光遗传调节（图7）有关，电刺激（图8）、超声（图9）和磁神经调节（图10）的研究相对较少。

图6 神经调节示意图

图7 光遗传神经调节

图9 超声神经调节

图10 磁刺激神经调节

脑部疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫和中风等，是复杂的医学难题，主要由神经回路功能障碍引起，导致认知、运动、情绪和感觉障碍。

目前的临床治疗虽能缓解症状，但无法完全恢复，且病情可能恶化。神经调节通过精确调控异常神经回路的活动，帮助恢复或增强大脑功能，是治疗脑部疾病的有前途的方法。

鉴于此，本文全面概述了神经调节在脑部疾病（如脑中风、阿尔茨海默氏症、帕金森病、癫痫、抑郁症和神经性疼痛，图11-16）治疗中的应用，特别强调水凝胶神经电极的作用，并讨论了其他替代电极材料，以期为脑部疾病的神经调节治疗提供系统框架。

图11 神经调节在脑中风治疗中的应用

图12 神经调节在阿尔茨海默氏症治疗中的应用

图13 神经调节在帕金森病治疗中的应用

图14 神经调节在癫痫治疗中的应用

图15 神经调节在抑郁症治疗中的应用

尽管水凝胶在BCIs中表现出色，但仍面临一些挑战，如长期稳定性、机械特性和透明度的平衡。未来的研究需要在材料设计和制造技术上进行创新，以确保水凝胶基BCIs的有效性和可靠性。

（1）材料设计与创新：未来的研究应集中在开发具有高导电性、低模量、高透明度和良好生物相容性的水凝胶材料。通过特殊的化学修饰策略，如调整填料的大小和组成，设计动态拓扑结构，可以解决电导率和透明度之间的权衡问题。

（2）制造技术的改进：当前水凝胶电极的制造技术较为复杂，限制了其广泛应用。未来需要开发可扩展的制造方法，以实现大规模生产和应用。

（3）生物相互作用研究：需要进一步研究水凝胶与神经组织之间的相互作用，包括水凝胶对神经元生长、突触可塑性和整体神经健康的影响。

（4）神经调节机制的深入研究：虽然神经调节在治疗脑部疾病方面显示出巨大潜力，但其基本机制仍需进一步探索。未来研究应关注神经调节的时空分辨率和精确性，以及水凝胶在磁遗传学和声遗传学中的应用。

（5）临床应用的推进：水凝胶基BCIs的临床应用需要在长期稳定性和安全性方面进行更多研究。通过结合先进的材料设计和微纳制造技术，可以开发出更可靠的植入式神经电极，推动神经调节技术的临床应用。

来源于：EFL公众号