江蘇
植入式神經接口是腦科學研究的核心變革技術，如何解決免疫排斥誘發的生物適配失效問題是該領域的研究重點，其根源在于植入器件與腦組織在尺寸、力學、拓撲及生化特性上的界面適配失衡。近年來，高含水、低模量、生物相容的水凝膠是理想的神經界面候選材料，但受限于微加工難度大、電學性能不足，如何通過分子與結構協同設計，兼顧微納加工能力、高效電荷傳導及長期體內穩定性，是水凝膠植入式神經接口面臨的關鍵挑戰。
針對于此，中國科學院蘇州納米所張珽研究員團隊提出熱溶劑輔助的機械約束退火制備策略，突破水凝膠纖維的加工極限，成功開發出神經元尺度的全水凝膠神經電極陣列，將水凝膠纖維直徑推進至亞微米級別，同時實現超軟力學特性與高導電性能的統一，在小鼠大腦中完成了長達6個月的單神經元信號穩定追蹤。
圖1. 水凝膠電極陣列的設計思路與多維仿生特性
從仿生角度出發，設計出與神經元細胞尺寸、力學、含水及三維拓撲高度匹配的全水凝膠電極體系，通過系統對比剛性電極與類神經元水凝膠纖維植入后引發的腦組織異物反應差異，明確了尺寸、模量、彎曲剛度等關鍵參數對生物相容性的影響，為低免疫神經界面的構建提供了清晰的設計依據。
圖2. 水凝膠纖維的制備與分子構象調控
通過優化濕紡工藝并協同調控拉伸與退火過程，成功將 PEDOT:PSS 水凝膠纖維直徑精準調控至 0.94-20 μm的神經元尺度，達到當前一維水凝膠加工的極限水平。在此過程中實現PEDOT與PSS雙分子構象的精準調控，形成線性相分離結構，顯著提升分子取向度、結晶尺寸并縮小π-π堆積距離，從分子層面建立起高效穩定的離子-電子傳導通路，為高性能神經記錄奠定基礎。得益于精細的分子結構設計，水凝膠纖維呈現出差異可調的干/濕態機械特征，既滿足植入所需的結構強度，又具備與腦組織高度適配的超軟特性，其極低的彎曲剛度可大幅緩解電極與神經組織界面的應力集中。有限元模擬與體外動態實驗證實，該水凝膠電極能夠隨組織形變實現共形貼合，幾乎不產生剪切損傷，展現出優異的動態軟組織適配能力。此外，在電學性能方面，水凝膠在生理環境中可長期保持高導電穩定性，擁有超高的電荷存儲容量與電荷注入容量，在數萬次電化學循環后性能衰減微弱，可同時勝任高質量神經信號記錄與安全神經調控的雙重功能。
圖3. 水凝膠纖維電極的手術植入與電生理記錄分析
以微創手術將16通道全水凝膠電極陣列植入小鼠運動皮層，術后超聲成像顯示電極狀態穩定，能夠在靜息、麻醉、覺醒與劇烈運動等多種行為狀態下，清晰采集高信噪比的單神經元鋒電位，并精準解析神經元放電頻率、功率譜密度及峰間間隔分布，完整反映大腦在不同行為模式下的神經活動規律。長期在體實驗結果表明，該全水凝膠電極陣列植入16周后未引發明顯的膠質增生與免疫炎癥反應，周圍神經元分布正常，展現出極致的生物相容性。在連續6個月的單神經元追蹤中，電極記錄的信號波形高度穩定，信噪比維持在理想水平，通道阻抗波動微弱，成功實現了無免疫干擾、高保真、超長期的慢性神經活動記錄，為下一代植入式神經界面提供了全新范式。
圖4. 水凝膠纖維電極的免疫反應及長期在體使用性能
該工作聚焦高生物相容性水凝膠神經界面的開發與優化，為突破水凝膠電極器件在微納加工、電學性能及體內長期穩定性方面的技術瓶頸，提供了創新思路與可行方案。
來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所官網
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