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
