摘要早期的神经微电极多由半导体和金属等刚性材料制成，其生物兼容性差、易引起免疫反应损伤神经组织。水凝胶修饰的神经微电极凭借三维亲水聚合物网络结构、优异的机械性能和良好的生物相容性得到了广泛的应用，且在水凝胶网络结构中填充聚合物可以提高性能、改善电极/神经组织界面和提升长期稳定性。


本文介绍了水凝胶的特性及合成方法，并从生物相容性、电极机械性能和电化学性能以及电极的耐用性和稳定性等方面论述了水凝胶修饰神经微电极性能的影响，最后展望了水凝胶神经微电极未来的发展方向。


引言


对神经组织进行电刺激是治疗神经失调、脊柱损伤和运动障碍等疾病的有效方式，其中神经微电极是实现神经组织和外部电子系统间信息融合的界面器件[1]。根据《中国制造2025》、科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目和《新一代人工智能发展规划》等战略规划，研究与开发生物相容性好、高空间分辨率、高电荷注入能力的神经微电极，是不断增强核心科技竞争力的关键方向。


传统神经微电极包括金属微丝电极、Michigan硅基微电极和Utah硅基微电极等，以这些材料为主的电极，生物兼容性差、硬度远高于神经组织，容易引起排异反应。因此，开发具有良好组织贴合性和电场稳定性的新材料成为研究热点。


水凝胶具有三维亲水聚合物网络结构、比表面积大、出色的电子与离子传输能力，成为构筑神经微电极的理想材料，在神经微电极研究领域具有重要意义。


本文总结了合成水凝胶的几种不同方法，对其合成条件及得到的水凝胶的特性进行了概述；并分析了水凝胶修饰的神经微电极在生物相容性、机械性能及电化学性能等方面的优势，为水凝胶在神经微电极中的应用提供了理论参考。


1水凝胶的特性及合成方法


1.1水凝胶的特性


水凝胶是一种在组织工程、药物输送和可植入设备等方面具有广泛应用的柔性材料，其含水率高，质地柔软，具有优异的力学性能，可以通过注射成型、浇注成型等方式产生复杂的三维几何结构。Cha等设计了一种具有良好拉伸性能、快速凝胶化和强黏附性的可注射水凝胶，其拉伸性能可加速伤口的愈合；快速凝胶化和强黏附性可让其作为止血剂，通过微创技术用于撕裂器官。


Ahmed等设计了一种可注射的壳聚糖-聚乙二醇水凝胶系统，其可将阿霉素和碳酸氢钠输送到恶性肿瘤，在缓冲细胞外酸度的同时实现化疗药物的递送。Liang等设计了一种具有良好拉伸性能和自恢复能力的水凝胶材料，可用于可穿戴设备和可植入电极，来获取生理压力信号、记录大鼠脑内局部电场电位。


拉伸/压缩试验表明，该水凝胶没有明显的性能损失，其在拉伸和压缩方面具有优异的抗疲劳性能。水凝胶还具有优异的扩散性能，可通过释放神经营养因子来提高神经元存活率、通过释放抗炎药减少植入神经微电极部位周围的炎症。


Feng等通过共混功能性自组装肽溶液和丝素蛋白溶液制备了双网络杂化水凝胶，并将有助于神经再生的神经营养因子-3包封进水凝胶中，利用水凝胶的特性达到缓慢持续地释放，来调节早期的炎症反应、促进神经再生。水凝胶与人体组织相接触时，水凝胶表面上的蛋白质和细胞黏附较少，表现出良好的生物相容性。Sun等设计并制备了一系列聚酰胺-胺水凝胶，通过调控有利于细胞黏附的双酰胺组分和抗蛋白黏附两性离子组分，同时实现优异的细胞黏附和抗非特异性蛋白黏附功能。


Li等设计制备了一种具有优异抗溶胀性和生物相容性的水凝胶。研究表明，该水凝胶由于其超亲水性，表面形成的水合层减少了蛋白质、细胞和水凝胶之间的相互作用；在水凝胶网络结构中填充聚合物可以改善电极/神经组织界面和保持长期稳定性，以提高其性能。