2水凝胶对神经微电极性能的影响


2.1生物相容性


当神经微电极植入生物组织时，会破坏血管导致神经细胞损伤，破坏血脑屏障，使宿主血清蛋白吸附在电极表面，激活小胶质细胞引发组织炎症，导致植入电极周围形成胶质瘢痕。水凝胶具有优良的生物相容性，可减少电极周边蛋白质吸附，进而减少神经元细胞损伤和电极周围的胶质瘢痕。Kleber等使用合成水凝胶和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)制备了复合导电聚合物水凝胶系统（如图3）。

图3导电聚合物水凝胶成分示意图


该复合材料可以通过共价键连接到电极表面，其修饰的电极具有高电荷存储容量、低电极阻抗、优良的电荷稳定性和良好的生物相容性。Lin等通过酶介导的转移印花技术，将掺杂各种导电纳米粒子的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）转印到微生物谷氨酰胺转氨酶凝胶（Gln-mTG）上，制备了水凝胶微电极（如图4）。

图4水凝胶微电极阵列的转印制作


细胞实验结果表明，细胞在整个装置上都能出现黏附和分化，证明了其良好的生物相容性。Heo等研制了一种聚乙二醇水凝胶包覆的神经电极，其中水凝胶含有聚乳酸-羟基乙酸（Poly(lactic-co-glycolic)acid，PLGA）微球，微球中含有环孢素A（Cyclosporin A，CsA）（如图5）。


神经电极通过水凝胶释放CsA来防止植入神经电极引起的炎症，提升了电极的生物相容性。

图5神经电极的制造工艺示意图


2.2机械性能


水凝胶具有较高的柔性，水凝胶修饰神经微电极可为其提供良好的机械性能。Heo等在琼脂糖水凝胶中加入聚乳酸纳米棒（PLANR）修饰神经微电极，增强了电极稳定性（如图6）。

图6含PLANR的琼脂糖水凝胶的神经电极


流变学实验表明随着PLANR的分散，水凝胶三维网络结构密度增加，琼脂糖水凝胶的弹性模量也随之增大，有效增强了神经微电极水凝胶的力学性能。Ferlauto等将聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）和海藻酸钠混合，制备了导电水凝胶微电极阵列（如图7），其具有与神经组织匹配的弹性模量，增强了神经电极的机械性能。

图7电极的结构示意图及涂层工艺流程图


2.3电化学性能


导电聚合物涂层具有较低的阻抗和较高的电荷储存密度，其修饰的电极可以改善神经界面的电化学性能。而水凝胶因含水量较高，力学性能与生物组织接近，可以促进神经细胞和电极的结合。所以，将水凝胶和导电聚合物共混作为电极涂层，可以在电极和生物组织间创建稳定的界面，改善神经微电极的电化学性能。Yin等通过原位聚合法制备了聚吡咯-海藻酸钠复合水凝胶，并将氯化铁掺杂其中（如图8）。这使得水凝胶结构更加均匀，电荷转移电阻较小，提高了其电化学性能。

图8复合水凝胶合成工艺示意图


2.4其他性能


水凝胶还具有自修复能力，可以提升神经微电极的性能。水凝胶的自修复能力可以使其在受到损伤时自动修复，延长神经微电极的耐用性。Das等研发了一种具有自修复能力、强附着力和电性能快速恢复能力的新型双网络水凝胶。实验结果表明，在柔性聚氨酯衬底上组装电路，用该水凝胶做成的导线进行连接，当移除部分水凝胶时电路中断，将水凝胶注入电路断开位置，立即恢复电极的导电性。神经微电极和神经组织之间紧密的神经接口对于神经调节至关重要。


水凝胶的黏附性可以使神经电极紧密固定在神经外膜表面以构建稳健的神经接口。Yang等用PEDOT:PSS网络和多功能聚两性离子聚磺基甜菜碱（PSB），构建了一种可生物黏附且柔软有弹性的水凝胶。该水凝胶与组织间有较好的黏附性，从而提高了界面的稳定性。


Han等通过将聚多巴胺纳米颗粒整合至由聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮制备的水凝胶网络中，使其具有更高的透明度、自黏附性和更低的阻抗。


研究结果表明，这种水凝胶电极可以与组织建立高效稳定的传感界面，并具有高通道均匀性，可直接从人体表面采集高质量的脑电信号。这些研究表明水凝胶独特的特性将极大地提升基于水凝胶修饰的电极的优良性能。


3水凝胶神经微电极未来发展方向


水凝胶作为一种新型功能材料，具有良好力学性能、生物相容性、自修复和自黏附等优点，在组织工程、药物输送和可植入设备等方面具有广泛应用。在神经微电极领域，水凝胶发展迅速，有效解决了传统刚性电极生物相容性差、机械刚性不适配等问题，展现出巨大的应用潜力。然而基于水凝胶的神经微电极仍有很大的发展空间。要使神经微电极适配不同脑区的微环境，未来的研究应进一步开发响应型水凝胶材料，以实现对电极的按需调控。


为实现高分辨率信号采集，则需获得更高的信噪比，因此水凝胶的导电性以及长期稳定性等问题需要进一步解决。同时，基于水凝胶的神经微电极需要兼备多种性能，包括长期植入稳定性、精准调控、功能修复等，以实现其在临床中的应用，因此后续的研究还要对其性能进行不断优化。


4结语


水凝胶作为神经微电极材料具有独特的优势，如合成方法多样化、优异的生物相容性、与组织匹配的机械性能等。本文对水凝胶的特性及合成方法和水凝胶对神经微电极性能的影响进行了综述，现有研究表明，通过结合复合导电聚合物等材料，水凝胶可实现电极的良好生物相容性、机械适配性以及电化学性能的增强等。未来研究中，在保证水凝胶优良性能的前提下，要进一步探索其在神经微电极中的应用，使其成为高性能神经微电极的核心材料。