微电极皮层脑电图（micro-ECoG）凭借卓越的时间和空间分辨率，在精准脑功能映射和神经活动解码中发挥着关键作用。然而，由于脑组织的持续微运动（如呼吸、血流和肢体运动）、植入器件在脑脊液中的漂浮效应，以及器件缆线的拉扯，传统基于物理贴附的集成生物电子的方式由于弱的粘附力在器件植入后不可避免地发生器件-组织间的相对位移。近年来，粘附性水凝胶作为有效的在组织上集成生物电子方式引起了广泛的研究，但现有研究多集中于皮肤、心脏等韧性组织。而在脆弱的脑组织上，水凝胶在生理环境中的尺寸变化可能带来导致组织与植入器件变形进而因二者模量失配导致界面分离、增强免疫反应等挑战。因此开发兼具优良的不变形和强粘附的水凝胶补片用于构建稳固的神经界面是该领域急需解决的挑战性工作。
华中科技大学
罗志强教授
、中科院深圳先进技术研究院
李骁健研究员
、
中国科学院自动化研究所
刘冰研究员
等人
利用热敏性聚醚F127二丙烯酸酯（F127DA）在生理温度下链段收缩形成胶束及聚磺酸基甜菜碱（PSBMA）在溶剂置换后链段舒展的特性，提出分子链拓扑平衡策略并开发了一种不变形水凝胶贴片，实现-4.5%的微小溶胀率，且共聚生物粘附功能单体丙烯酸AA实现稳固的湿组织粘附
。
通过不变形水凝胶将micro-ECoG器件集成到SD大鼠脑组织上，相比溶胀水凝胶与收缩水凝胶，不变形水凝胶可以有效降低纤维化水平、减少胶质细胞募集，同时实现长期稳定的、高保真的捕捉大脑神经动力学。该研究以题为“Robust Neural Interfaces Enabled by Non-Deformable Adhesive Hydrogel Patch for Stable Chronic ECoG Recording” 的论文发表在《
Advanced Functional Materials
》上。
图1 利用不变形粘附水凝胶贴片构建稳固神经界面实现长期稳定的ECoG记录a) 网格状micro- ECoG 器件示意图。将Micro-ECoG器件集成至微型化的印刷电路板（PCB）上，该PCB作为电信号传输的接口。同时，高性能导电聚合物层（PIN-5NH
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/PEDOT）被用于修饰micro-ECoG电极以提高电化学性能。 b) 构建稳固神经界面示意图。采用粘附水凝胶贴片，以解决微型 ECoG 设备与皮层组织之间的相对位移问题。 c) 不变形水凝胶设计示意图。传统水凝胶的膨胀效应是由于水分子渗透聚合物网络，使其体积膨胀。而热响应性水凝胶的收缩效应在温度超过下临界溶解温度（LCST）时，会引发热敏材料的胶束化，从而导致聚合物网络收缩。通过分子链拓扑结构平衡策略，赋予水凝胶具备不变形特性，以解决因水凝胶膨胀或收缩带来的组织变形、增强炎症响应的挑战。
图2不变形（ FSAP）水凝胶的制备与表征。a) FSAP水凝胶贴片的制备示意图。F127DA作为交联剂，提供热诱导的链段收缩，而PSBMA可实现溶剂交换后的分子链伸展。二者平衡的分子链拓扑结构确保了水凝胶的不变形特性。AA赋予生物粘附功能，PVB增强疏水相互作用。b) 不同SBMA浓度FSAP水凝胶在5天内的溶胀率，表明高浓度SBMA通过链伸展作用在溶剂交换后导致水凝胶网络过分伸展而溶胀。 c) SA、FAP和FSAP水凝胶在不同F127DA浓度下的溶胀率，显示高浓度F127DA在生理温度下诱导水凝胶网络过分疏水缔合而收缩。 d) FSAP水凝胶在肌肉、心脏和肝脏组织上的粘附强度，表明FSAP水凝胶可以实现稳固的湿组织粘附。
图3 FSAP水凝胶贴片的体内及体外生物相容性评估。a) 在标准培养基（对照组）和FSAP水凝胶浸提液中培养1天及5天的PC12细胞活/死染色图像。b) PC12细胞与不变形水凝胶浸提液共培养不同时间点（第1、3、5天）的CCK-8实验结果，表明水凝胶优异的细胞相容性。c) 假手术组（sham）、通过溶胀水凝胶（SD）、收缩水凝胶（CD）和不变形水凝胶（NDD）的集成micro-ECoG器件的脑组织切片Masson染色（i）及免疫荧光染色图像（ii. DAPI/GFAP，iii. DAPI/IBA-1）。NDD组纤维膜厚度显著降低且胶质细胞募集减少，而SD组和CD组观察到不同程度组织形变。d) 各组纤维囊厚度的量化分析。e) 相对于假手术组的GFAP荧光强度。f) 相对于假手术组的IBA-1荧光强度强度。
