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传统神经界面的限制与挑战
神经界面技术是理解大脑工作机制、解码复杂行为的关键。目前商业化的神经界面技术主要基于传统硅基或金属材料开发，存在如下限制：
机械性能与生物组织不匹配，引发免疫反应，导致附近的神经元和神经胶质细胞显著损伤甚至死亡，并堆积在硬质电极周围区域，进一步削弱神经界面探测大脑信号的能力和在生物环境中的功能稳定性。此类植入式电极易失效，难以长期稳定植入。
为了提高捕捉神经元信号的空间分辨率，电极尺寸需尽可能减小而电极数应进一步提升。降低电极尺寸导致阻抗增加，影响电极检测低幅、高频信号的能力，并且需要更大的刺激电位来驱动，一定程度上也会影响植入安全性。
植入式神经电极技术的发展史：越来越软的材料和越来越灵活的设备
水凝胶在神经电极界面技术中的应用潜力
近期，清华大学深圳国际研究生院徐晓敏教授团队在Communications Materials上发表的综述文章中，揭示了水凝胶在下一代神经界面中的应用潜力。
应对新一代神经电极的材料挑战，文章首先介绍了水凝胶的特性，包括其机械性能、溶胀性能和导电性。水凝胶是由聚合物链构成的三维网络，其机械性能可通过改变网络结构设计、交联程度和单体或大分子浓度来调节，以具备和脑组织相近的杨氏模量和可控的组织/细胞黏附力，最大程度减小植入带来的负面影响。然而，水凝胶不可避免的高溶胀性能却常常限制其在体内环境的应用，这就需要通过优化工艺和结构设计来避免。此外，水凝胶普遍的低导电性是影响其作为神经界面的关键，其导电机制分为离子导电和电子导电两种，通过合理设计可以实现与生物电子设备兼容的导电性能。
水凝胶材料的导电机制与性能
研究团队总结了水凝胶作为神经电极的一些应用实例，包括作为涂层材料和独立电极的不同应用场景。用作电极涂层的水凝胶通过提升电容、优化界面粘附性和生物相容性，能够提高传统神经电极的电化学性能和界面的机械、生物稳定性。进一步，开发具有高导电性、生物相容性的水凝胶材料，用作独立的神经电极或电极阵列主体材料，能够有效获取神经元信号，并且实现传统电极前所未有的组织贴合度和长期植入稳定性，为新一代神经电极带来重要的范式变革。
水凝胶在神经界面技术中的应用实例
文章最后展望了水凝胶在生物电子学领域的未来发展方向，强调了仍然存在的导电性制约、高精度图案化等制造工艺等方面的挑战。通过精确设计水凝胶的组成和结构，辅以高通量制备方法、可编程模式化和有机-无机模块稳定集成等技术支持，将有望实现神经信号的高分辨率记录和长期稳定监测，为深入理解神经网络和大脑的奥秘提供崭新范式。
论文信息
发布期刊 Communication Materials
发布时间 2024年6月12日
文章标题 Hydrogels for next generation neural interfaces
（https://doi.org/10.1038/s43246-024-00541-0）
程思敏 | 作者
酥鱼 | 编辑
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