蘇州納米所張珽團(tuán)隊(duì)Matter：神經(jīng)元尺度的全凝膠電極陣列實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期腦電信息記錄
植入式神經(jīng)接口是腦科學(xué)研究的核心變革技術(shù)，如何解決免疫排斥誘發(fā)的生物適配失效問題是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其根源在于植入器件與腦組織在尺寸、力學(xué)、拓?fù)浼吧匦陨系慕缑孢m配失衡。近年來，高含水、低模量、生物相容的水凝膠是理想的神經(jīng)界面候選材料，但受限于微加工難度大、電學(xué)性能不足，如何通過分子與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，兼顧微納加工能力、高效電荷傳導(dǎo)及長(zhǎng)期體內(nèi)穩(wěn)定性，是水凝膠植入式神經(jīng)接口面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
針對(duì)于此，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)提出熱溶劑輔助的機(jī)械約束退火制備策略，突破水凝膠纖維的加工極限，成功開發(fā)出神經(jīng)元尺度的全水凝膠神經(jīng)電極陣列，將水凝膠纖維直徑推進(jìn)至亞微米級(jí)別，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超軟力學(xué)特性與高導(dǎo)電性能的統(tǒng)一，在小鼠大腦中完成了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的單神經(jīng)元信號(hào)穩(wěn)定追蹤。
圖1. 水凝膠電極陣列的設(shè)計(jì)思路與多維仿生特性
從仿生角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出與神經(jīng)元細(xì)胞尺寸、力學(xué)、含水及三維拓?fù)涓叨绕ヅ涞娜z電極體系，通過系統(tǒng)對(duì)比剛性電極與類神經(jīng)元水凝膠纖維植入后引發(fā)的腦組織異物反應(yīng)差異，明確了尺寸、模量、彎曲剛度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)生物相容性的影響，為低免疫神經(jīng)界面的構(gòu)建提供了清晰的設(shè)計(jì)依據(jù)。
圖2. 水凝膠纖維的制備與分子構(gòu)象調(diào)控
通過優(yōu)化濕紡工藝并協(xié)同調(diào)控拉伸與退火過程，成功將 PEDOT:PSS 水凝膠纖維直徑精準(zhǔn)調(diào)控至 0.94-20 μm的神經(jīng)元尺度，達(dá)到當(dāng)前一維水凝膠加工的極限水平。在此過程中實(shí)現(xiàn)PEDOT與PSS雙分子構(gòu)象的精準(zhǔn)調(diào)控，形成線性相分離結(jié)構(gòu)，顯著提升分子取向度、結(jié)晶尺寸并縮小π-π堆積距離，從分子層面建立起高效穩(wěn)定的離子-電子傳導(dǎo)通路，為高性能神經(jīng)記錄奠定基礎(chǔ)。得益于精細(xì)的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水凝膠纖維呈現(xiàn)出差異可調(diào)的干/濕態(tài)機(jī)械特征，既滿足植入所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又具備與腦組織高度適配的超軟特性，其極低的彎曲剛度可大幅緩解電極與神經(jīng)組織界面的應(yīng)力集中。有限元模擬與體外動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該水凝膠電極能夠隨組織形變實(shí)現(xiàn)共形貼合，幾乎不產(chǎn)生剪切損傷，展現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)軟組織適配能力。此外，在電學(xué)性能方面，水凝膠在生理環(huán)境中可長(zhǎng)期保持高導(dǎo)電穩(wěn)定性，擁有超高的電荷存儲(chǔ)容量與電荷注入容量，在數(shù)萬次電化學(xué)循環(huán)后性能衰減微弱，可同時(shí)勝任高質(zhì)量神經(jīng)信號(hào)記錄與安全神經(jīng)調(diào)控的雙重功能。
圖3. 水凝膠纖維電極的手術(shù)植入與電生理記錄分析
以微創(chuàng)手術(shù)將16通道全水凝膠電極陣列植入小鼠運(yùn)動(dòng)皮層，術(shù)后超聲成像顯示電極狀態(tài)穩(wěn)定，能夠在靜息、麻醉、覺醒與劇烈運(yùn)動(dòng)等多種行為狀態(tài)下，清晰采集高信噪比的單神經(jīng)元鋒電位，并精準(zhǔn)解析神經(jīng)元放電頻率、功率譜密度及峰間間隔分布，完整反映大腦在不同行為模式下的神經(jīng)活動(dòng)規(guī)律。長(zhǎng)期在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該全水凝膠電極陣列植入16周后未引發(fā)明顯的膠質(zhì)增生與免疫炎癥反應(yīng)，周圍神經(jīng)元分布正常，展現(xiàn)出極致的生物相容性。在連續(xù)6個(gè)月的單神經(jīng)元追蹤中，電極記錄的信號(hào)波形高度穩(wěn)定，信噪比維持在理想水平，通道阻抗波動(dòng)微弱，成功實(shí)現(xiàn)了無免疫干擾、高保真、超長(zhǎng)期的慢性神經(jīng)活動(dòng)記錄，為下一代植入式神經(jīng)界面提供了全新范式。
圖4. 水凝膠纖維電極的免疫反應(yīng)及長(zhǎng)期在體使用性能
該工作聚焦高生物相容性水凝膠神經(jīng)界面的開發(fā)與優(yōu)化，為突破水凝膠電極器件在微納加工、電學(xué)性能及體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的技術(shù)瓶頸，提供了創(chuàng)新思路與可行方案。相關(guān)成果以A neuron-scale all-hydrogel electrode array for chronic brain activity recording為題發(fā)表在Matter上。蘇州納米所博士后王明序為本文第一作者，李連輝副研究員、張珽研究員為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、江蘇省自然科學(xué)基金的支持。
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