ACS Applied Materials & Interfaces丨深圳先进院鲁艺团队研发新型网际互穿导电水凝胶神经电极界面
by 管理员 | 2023-09-07
长期有效的电生理信号检测对于神经环路的精准解析和调控来说至关重要。然而，神经电极界面的稳定性和生物相容性等问题，仍然严重阻碍着植入式神经电极的在体应用。为此，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院鲁艺研究员团队研发了一种具有网际互穿结构的导电聚合物-水凝胶界面，显著提升了神经电极的长期稳定性和有效性，为自由活动动物的神经环路功能解析提供了重要的工具。近日，相关工作“Conducting polymer-hydrogel interpenetrating networks for improvingthe electrode-neural interface”以封面论文（SupplementaryCover）形式发表于ACS AppliedMaterials & Interfaces期刊上。
文章刊登封面图
聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是目前被广泛用于神经电极界面的修饰导电聚合物材料，具有较低的电化学阻抗和较好的生物相容性。然而，较差的电化学和机械稳定性导致了PEDOT薄膜极易从电极基底上脱落，严重影响着神经电极的长期使用。为了解决这一问题，这项工作提出了一种新型的电极界面修饰策略。研究团队首先制备了聚苯乙烯磺酸/聚乙烯醇（PSS/PVA）水凝胶膜，并在微电极阵列表面形成预涂层（pre-coating），形成一种富含对离子（PSS-）的三维网络水凝胶支架。随后，将3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT）单体在PSS/PVA支架中进行电聚合，形成具有三维网际互穿结构的的PEDOT/PSS/PVA 导电聚合物-水凝胶电极界面。
图1.网际互穿导电水凝胶的制备方法示意图
研究发现，制备的PEDOT/PSS/PVA 导电聚合物-水凝胶膜具有三维多孔结构，孔径范围为0.1 ~ 1.0 µm。上述结构能够有效地抵消在反复的电荷传输过程中产生的膜形变，显著提升了其电化学稳定性。此外，这种导电聚合物-水凝胶膜具有较低的杨氏模量（191kPa）和较高的可拉伸性（72%），具有优异的机械稳定性。研究团队还发现这种导电聚合物-水凝胶膜具有较低的电化学阻抗和较高的电容性，并且具有优异的生物相容性，是一种理想的神经电极界面材料。
图2. （a）PEDOT/PSS/PVA 导电聚合物-水凝胶的形貌；
（b-c）PEDOT/PSS/PVA 和PEDOT/PSS的电化学稳定性（b）和机械稳定性（c）对比
随后，研究团队对比了PEDOT/PSS/PVA和PEDOT/PSS神经电极阵列在被植入小鼠海马区12周后的电生理信号质量，发现了PEDOT/PSS/PVA 导电聚合物-水凝胶膜能显著提升电生理信号的长期稳定性。此外，研究团队还将界面修饰技术与光遗传技术结合，在自由活动小鼠上实现了神经精准调控下的电生理记录，为神经环路的功能研究提供了有力的工具。
图3.神经界面技术在自由活动动物上的长期应用
总结回顾
近年来，鲁艺研究员团队通过与多个合作团队联合攻关，在功能化神经界面领域取得了一系列进展（Advanced Functional Materials, 2023；Advanced Materials, 2022；Journal of NeuralEngineering, 2022；Small, 2021），并对病理状态神经环路的功能进行了深入的解析（Cell Reports, 2022；Nature Communications,2016）。这项工作不仅为神经环路功能研究和脑机接口研究提供了重要的技术支持，还有望为神经精神疾病的诊疗提供新的工具。深圳先进院脑所的阎梦萦、王璐璐和巫祎咏为这项工作的共同第一作者，鲁艺研究员为通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金委（优秀青年基金、外国资深学者研究基金团队）、国家科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目、广东省杰青等项目的资助。
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