脑机启侦 | 高导电性水凝胶用于全有机超柔性长期神经接口的研究

近日，国内某高校研究团队以“一种高导电性水凝胶用于全有机超柔性长期神经接口”(An exceptionally conductive hydrogel for all-organic, ultraflexible, and chronic neural interfaces)为题，发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。

脑机接口技术在神经疾病诊疗、人机交互及认知研究等领域展现出重要应用前景。然而，传统金属电极因机械刚性过高（GPa量级），难以与柔软的生物组织（Pa - kPa量级）实现力学匹配，加之界面阻抗大、长期植入信号衰减明显等问题，限制了其在慢性神经接口中的应用。

针对上述挑战，国内某研究团队与合作者提出了一种全新策略：基于界面渗流结构开发出超高导电水凝胶（CHIP），成功构建了厚度仅9 µm的全有机超柔性脑皮层电极阵列，实现了低阻抗、高通量、长期稳定的神经信号记录。

团队通过对导电聚合物聚（3, 4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）与聚丙烯酰胺-海藻酸钠（PAAm-alginate）水凝胶网络之间界面行为的精细调控，发展出一种独特的“界面渗流”机制——带负电的亲水性PSS链自发向水凝胶内部渗透，而疏水的PEDOT链则在表面聚集重排。该界面自组装促使PEDOT从传统的“孤立岛状分布”转变为贯通网络，形成致密堆积的共轭堆叠，显著提升了面内载流子传输效率。由此制备的CHIP水凝胶展现出创纪录的电学性能：其面内电导率最高可达2512 S·cm−1，即使在高含水（通常>70 wt%）条件下仍能实现高效电荷传输。该界面渗流策略为高导电水凝胶的设计提供了全新思路（图1）。

CHIP水凝胶兼具力学柔顺性，其断裂伸长率约为124%，能够在反复形变条件下维持结构稳定。在电化学性能测试中，该材料显示出优异的电化学稳定性（图2）。

为解决水凝胶在湿润生理环境中的溶胀问题，团队发展出各向异性溶胀策略，通过水凝胶的预溶胀处理与基底亲水修饰，有效抑制了吸水过程中的面内溶胀，从而控制了材料的结构畸变，实现了微米级精度的高保真图案化制备。基于这一策略所制备的电极阵列，通道密度高达853 channels·cm−2，较已报道的水凝胶电极提升超过一个数量级。同时，该器件整体厚度仅约9 µm，能够紧密贴合脑组织表面，显著降低由界面机械失配引起的应力集中（图3）。

为系统评估该全有机超柔性电极阵列的神经信号记录性能，研究团队首先开展了急性在体实验。结果表明，该电极能够稳定贴附于大鼠脑表面，高保真地采集神经电活动信号。在信号幅值、信噪比及频谱特征等关键指标上，均优于传统铂电极。基于128通道高密度阵列，该电极实现了对多个脑区神经活动的同步记录，能够清晰分辨出自发脑电信号与外界刺激诱发的神经响应，充分展示了其在复杂神经信息获取方面的优势（图4）。

在长期植入实验中，该全有机超柔性电极阵列在新西兰兔动物模型中实现了长达550天的稳定神经记录。在整个植入周期内，器件保持低阻抗界面与稳定的信号输出，能够高效捕捉脑电活动的动态变化，并用于解析不同神经状态与行为之间的关联。此外，长期植入后未见明显炎症反应或组织损伤，表明该体系具有优异的生物相容性与生物界面稳定性（图5）。

通过界面渗流机制的建立与器件集成创新，上述策略成功突破了水凝胶材料在导电性、稳定性与可加工性之间的关键瓶颈，为构建高性能、全有机、长期安全稳定的脑机接口系统提供了全新解决方案。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2532840123

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