南科大刘吉/华南理工吴凯、施雪涛团队AFM：导电水凝胶基神经生物接口技术

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-30 19:45

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神经生物接口技术能够实现神经系统与外部设备之间的直接通信，在脑机接口、神经假肢和神经调控等领域具有巨大的应用潜力。然而，目前由传统刚性材料制成的神经电子设备由于其固有的机械性能与神经组织不匹配，面临着诸多挑战。水凝胶生物电子学因其与神经组织相容的机械性能，成为解决这些限制的一种替代方案，并有望推动下一代神经生物接口技术的发展。 南方科技大学 刘吉 / 华南理工大学 吴凯 / 施雪涛 综述了用于神经生物接口开发的导电水凝胶（CHs）生物电子学领域的最新研究进展，重点介绍了材料设计原则、制造技术、基本要求及其对应的应用场景。同时，文章还探讨了基于导电水凝胶的神经生物接口技术面临的未来挑战和潜在发展方向，包括长期可靠性、用于闭环系统的多模态水凝胶生物电子学以及无线供电系统。我们相信，这篇综述将为下一代神经生物接口技术的进一步发展和实施提供宝贵的参考资源。该研究以题为“Conducting Hydrogel-Based Neural Biointerfacing Technologies”的论文发表在《 Advanced Functional Materials 》上。

图 1 展示了基于导电水凝胶（ CHs ）的神经生物接口技术的多种应用场景及其特性。图中示意性地说明了水凝胶生物电子学的特性，包括柔软性、离子 / 电子导电性、生物黏附性、生物相容性和可降解性，并展示了这些特性在心脏接口、神经组织修复、脑机接口、类脑通信和肌电监测等领域的应用。 导电水凝胶作为生物电子学与神经组织之间的桥梁，能够实现电刺激和神经信号的记录。 导电水凝胶因其独特的物理和生物特性，能够有效改善传统神经电子设备的机械不匹配问题，为下一代神经生物接口技术提供了新的可能性。

图1.基于导电水凝胶的神经生物接口

【导电水凝胶的设计原则】

图 2 阐述了导电水凝胶（ CHs ）的设计原则，将其分为基于离子、基于颗粒和基于导电聚合物的三类。通过对比分析，展示了这三类 CHs 在杨氏模量、电导率、阻抗和电荷注入容量（ CIC ）方面的差异。基于离子的 CHs 具有较高的离子电导率，但对离子浓度和水分变化敏感；颗粒负载型 CHs 则依赖电子传导，具有更高的电导率和机械强度；而导电聚合物水凝胶则结合了高电导率和良好的机械顺应性。不同类型的 CHs 在性能上各有优势和局限，其选择应根据具体的应用需求来决定，以实现最佳的神经生物接口性能。

图2. 导电水凝胶的设计原则

【导电水凝胶基生物电子学的制造策略】

图 3 介绍了用于制造导电水凝胶（ CHs ）基生物电子学的多种先进制造策略，包括光刻法、模板法、丝网印刷、激光辅助图案化和挤出式打印。这些方法各有特点：光刻法能够实现高分辨率图案化，但受限于二维平面；模板法适用于多种水凝胶前驱体，但模具尺寸和脱模限制了其大规模生产和高精度制造；丝网印刷适合大规模生产，但对极低厚度的 CHs 图案存在挑战；激光辅助图案化具有高精度和快速加工的优点，但高能量激光可能对含活性物质的水凝胶系统造成热损伤；挤出式打印则提供了高空间分辨率和复杂的三维结构制造能力，但对油墨的流变性能要求较高。尽管每种制造策略都有其独特的优势和局限性，但通过合理选择和优化制造方法，可以满足不同应用场景对 CHs 基生物电子学在精度、复杂性和功能性方面的需求，为神经生物接口技术的发展提供了多样化的制造途径。

图3. 导电水凝胶基生物电子学的制造策略

【光刻法制备的导电水凝胶基生物电极】

图 4 展示了通过光刻技术制备的导电水凝胶（ CHs ）基生物电极的制造过程和性能。光刻法通过将紫外线照射到水凝胶前驱体上，利用光掩模形成高分辨率图案，并通过干法刻蚀去除多余部分，最终通过水交换实现图案化。研究中成功制备了特征尺寸低至 1.5 微米的微图案化导电水凝胶电极，并展示了其在电生理信号记录中的应用。光刻技术能够实现高精度的 CHs 图案化，尽管其在处理三维结构和大规模生产方面存在局限性，但其高分辨率和图案化精度使其成为制备高性能神经生物接口电极的有效方法，为实现高密度、高灵敏度的神经信号监测提供了技术基础。

图4. 光刻法制备的导电水凝胶基生物电极

【激光辅助图案化的导电水凝胶】

图 5 展示了激光辅助图案化技术在导电水凝胶（ CHs ）制造中的应用及其性能。通过聚焦激光束诱导 CHs 的原位相分离，研究者成功制备了具有微米级精度的 PEDOT 微电极阵列，并展示了其在电生理信号记录和电刺激中的应用。激光加工的高精度和快速性使得水凝胶能够在生物系统中实现精确的神经调控。激光辅助图案化技术不仅能够实现高分辨率的 CHs 图案化，还能有效提升水凝胶电极的电学性能和生物相容性，为开发高性能的神经生物接口提供了新的技术手段，特别是在需要高精度和快速加工的应用场景中展现出显著优势。

图5. 激光辅助图案化的导电水凝胶

【通过挤出式打印制备的微图案化导电水凝胶】

图 6 展示了通过挤出式打印技术制造的微图案化导电水凝胶（ CHs ）及其在生物电子学中的应用。挤出式打印通过喷嘴挤出 CHs 前驱体，并在基底上固化形成预设计的图案和三维结构。该技术具有高空间分辨率和复杂结构制造能力，能够实现高精度的图案化。研究中成功制备了能够点亮 LED 的 3D 打印导电电路，并展示了通过多材料 3D 打印技术制造的全水凝胶生物电子学设备，该设备具有 16 个独立通道，可用于复杂的生物信号监测。因此，挤出式打印技术为制造高性能、高精度的 CHs 基生物电子学设备提供了一种灵活且高效的方法，特别适用于需要复杂结构和多材料集成的应用场景。

图6. 通过挤出式打印制备的微图案化导电水凝胶

【可植入导电水凝胶基神经生物电子学的关键要求】

图 7 探讨了可植入导电水凝胶（ CHs ）基神经生物电子学的关键要求，包括机械顺应性、界面黏附性、生物可降解性和长期稳定性。机械顺应性要求 CHs 与神经组织的模量相匹配，以减少植入过程中的组织损伤和慢性炎症。界面黏附性确保 CHs 与神经组织之间形成稳定的接触，从而实现可靠的信号传输。生物可降解性允许 CHs 在完成治疗功能后自然降解，避免二次手术移除的风险。 长期稳定性则确保 CHs 在生物环境中保持结构和功能的完整性，以实现长期可靠的电生理信号记录和电刺激。 满足这些关键要求的 CHs 基生物电子学设备能够显著提升神经生物接口的性能和可靠性，为神经修复、脑机接口和神经调控等应用提供了更加安全、有效和持久的解决方案。

图7. 可植入导电水凝胶基神经生物电子学的关键要求

【用于心脏接口的导电水凝胶基生物电子学】

图 8 展示了导电水凝胶（ CHs ）在心脏接口领域的应用及其性能。首先介绍了心脏电生理信号监测的机制，强调了 CHs 在高精度监测急性心肌梗死异常心电图信号方面的应用，通过 16 通道 CHs 电极阵列成功记录了异常的 S 和 T 峰值信号。此外，还展示了时序黏附水凝胶贴片（ CAHP ）在协同心脏机械生理监测和电耦合治疗中的应用，以及使用导电聚合物水凝胶涂层生物电极进行房室传导阻滞的体内治疗和心电图监测。导电水凝胶基生物电子学在心脏接口领域展现出优异的性能，能够实现高精度的心电监测和有效的电刺激治疗，为心血管疾病的诊断和治疗提供了新的技术手段，特别是在需要长期稳定性和生物相容性的应用中具有显著优势。

图8. 用于心脏接口的导电水凝胶基生物电子学

【用于神经组织修复的导电水凝胶基生物电子学】

图 9 展示了导电水凝胶（ CHs ）在神经组织修复中的应用及其性能。首先介绍了神经肌肉系统中的双向感觉和运动信号传递机制，随后展示了 CHs 在修复受损神经组织中的应用，包括通过电神经图（ ENG ）记录神经信号以及在受损坐骨神经中建立导电通路以恢复神经信号传输功能。此外，还展示了基于 CHs 的神经调节技术，通过电刺激实现踝关节运动控制，并通过肌电图（ EMG ）信号记录验证了其性能。最后，展示了可生物降解的微电极阵列（ MEA ）在体内逐渐降解的过程，同时保持了足够的电化学性能以支持神经刺激。因此， 导电水凝胶基生物电子学在神经组织修复中具有显著优势，能够有效促进神经再生和功能恢复，同时其可生物降解性减少了二次手术的需求 。

图9. 用于神经组织修复的导电水凝胶基生物电子学

【用于脑机接口的导电水凝胶基生物电子学】

图 10 展示了导电水凝胶（ CHs ）在脑机接口（ BMIs ）领域的应用及其性能。首先介绍了用于脑电图（ EEG ）监测或电刺激的 CHs 电极阵列的设计，强调了其在体内监测动作电位方面的应用。通过全水凝胶 16 通道电极阵列，研究者成功记录了单个或多个神经元的微弱信号，展示了 CHs 在高分辨率神经信号记录中的潜力。此外，还展示了金属神经探针涂覆 CHs 后的性能提升，包括生物相容性、电学和力学性能的显著改善。最后，介绍了 CHs 基光电子纤维在光遗传学神经调节中的应用，通过植入式神经探针实现了对脑组织梗死区域的有效减少和运动功能恢复。因此，导电水凝胶基生物电子学在脑机接口领域具有显著优势，能够实现高精度的神经信号记录和有效的神经调节，同时其良好的生物相容性和可降解性使其在长期植入应用中具有广阔前景，为脑疾病的诊断和治疗提供了新的技术手段。

图10. 用于脑机接口的导电水凝胶基生物电子学

【用于类脑神经通信的导电水凝胶基生物电子学】

南科大刘吉/华南理工吴凯、施雪涛团队AFM：导电水凝胶基神经生物接口技术

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