2水凝膠對神經(jīng)微電極性能的影響

2.1生物相容性

當(dāng)神經(jīng)微電極植入生物組織時，會破壞血管導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷，破壞血腦屏障，使宿主血清蛋白吸附在電極表面，激活小膠質(zhì)細(xì)胞引發(fā)組織炎癥，導(dǎo)致植入電極周圍形成膠質(zhì)瘢痕。水凝膠具有優(yōu)良的生物相容性，可減少電極周邊蛋白質(zhì)吸附，進(jìn)而減少神經(jīng)元細(xì)胞損傷和電極周圍的膠質(zhì)瘢痕。Kleber等使用合成水凝膠和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)制備了復(fù)合導(dǎo)電聚合物水凝膠系統(tǒng)（如圖3）。

圖3導(dǎo)電聚合物水凝膠成分示意圖

該復(fù)合材料可以通過共價鍵連接到電極表面，其修飾的電極具有高電荷存儲容量、低電極阻抗、優(yōu)良的電荷穩(wěn)定性和良好的生物相容性。Lin等通過酶介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移印花技術(shù)，將摻雜各種導(dǎo)電納米粒子的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）轉(zhuǎn)印到微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶凝膠（Gln-mTG）上，制備了水凝膠微電極（如圖4）。

圖4水凝膠微電極陣列的轉(zhuǎn)印制作

細(xì)胞實驗結(jié)果表明，細(xì)胞在整個裝置上都能出現(xiàn)黏附和分化，證明了其良好的生物相容性。Heo等研制了一種聚乙二醇水凝膠包覆的神經(jīng)電極，其中水凝膠含有聚乳酸-羥基乙酸（Poly(lactic-co-glycolic)acid，PLGA）微球，微球中含有環(huán)孢素A（Cyclosporin A，CsA）（如圖5）。

神經(jīng)電極通過水凝膠釋放CsA來防止植入神經(jīng)電極引起的炎癥，提升了電極的生物相容性。

圖5神經(jīng)電極的制造工藝示意圖

2.2機(jī)械性能

水凝膠具有較高的柔性，水凝膠修飾神經(jīng)微電極可為其提供良好的機(jī)械性能。Heo等在瓊脂糖水凝膠中加入聚乳酸納米棒（PLANR）修飾神經(jīng)微電極，增強(qiáng)了電極穩(wěn)定性（如圖6）。

圖6含PLANR的瓊脂糖水凝膠的神經(jīng)電極

流變學(xué)實驗表明隨著PLANR的分散，水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密度增加，瓊脂糖水凝膠的彈性模量也隨之增大，有效增強(qiáng)了神經(jīng)微電極水凝膠的力學(xué)性能。Ferlauto等將聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）和海藻酸鈉混合，制備了導(dǎo)電水凝膠微電極陣列（如圖7），其具有與神經(jīng)組織匹配的彈性模量，增強(qiáng)了神經(jīng)電極的機(jī)械性能。

圖7電極的結(jié)構(gòu)示意圖及涂層工藝流程圖

2.3電化學(xué)性能

導(dǎo)電聚合物涂層具有較低的阻抗和較高的電荷儲存密度，其修飾的電極可以改善神經(jīng)界面的電化學(xué)性能。而水凝膠因含水量較高，力學(xué)性能與生物組織接近，可以促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞和電極的結(jié)合。所以，將水凝膠和導(dǎo)電聚合物共混作為電極涂層，可以在電極和生物組織間創(chuàng)建穩(wěn)定的界面，改善神經(jīng)微電極的電化學(xué)性能。Yin等通過原位聚合法制備了聚吡咯-海藻酸鈉復(fù)合水凝膠，并將氯化鐵摻雜其中（如圖8）。這使得水凝膠結(jié)構(gòu)更加均勻，電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，提高了其電化學(xué)性能。

圖8復(fù)合水凝膠合成工藝示意圖

2.4其他性能

水凝膠還具有自修復(fù)能力，可以提升神經(jīng)微電極的性能。水凝膠的自修復(fù)能力可以使其在受到損傷時自動修復(fù)，延長神經(jīng)微電極的耐用性。Das等研發(fā)了一種具有自修復(fù)能力、強(qiáng)附著力和電性能快速恢復(fù)能力的新型雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。實驗結(jié)果表明，在柔性聚氨酯襯底上組裝電路，用該水凝膠做成的導(dǎo)線進(jìn)行連接，當(dāng)移除部分水凝膠時電路中斷，將水凝膠注入電路斷開位置，立即恢復(fù)電極的導(dǎo)電性。神經(jīng)微電極和神經(jīng)組織之間緊密的神經(jīng)接口對于神經(jīng)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

水凝膠的黏附性可以使神經(jīng)電極緊密固定在神經(jīng)外膜表面以構(gòu)建穩(wěn)健的神經(jīng)接口。Yang等用PEDOT:PSS網(wǎng)絡(luò)和多功能聚兩性離子聚磺基甜菜堿（PSB），構(gòu)建了一種可生物黏附且柔軟有彈性的水凝膠。該水凝膠與組織間有較好的黏附性，從而提高了界面的穩(wěn)定性。

Han等通過將聚多巴胺納米顆粒整合至由聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮制備的水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，使其具有更高的透明度、自黏附性和更低的阻抗。

研究結(jié)果表明，這種水凝膠電極可以與組織建立高效穩(wěn)定的傳感界面，并具有高通道均勻性，可直接從人體表面采集高質(zhì)量的腦電信號。這些研究表明水凝膠獨(dú)特的特性將極大地提升基于水凝膠修飾的電極的優(yōu)良性能。

3水凝膠神經(jīng)微電極未來發(fā)展方向

水凝膠作為一種新型功能材料，具有良好力學(xué)性能、生物相容性、自修復(fù)和自黏附等優(yōu)點(diǎn)，在組織工程、藥物輸送和可植入設(shè)備等方面具有廣泛應(yīng)用。在神經(jīng)微電極領(lǐng)域，水凝膠發(fā)展迅速，有效解決了傳統(tǒng)剛性電極生物相容性差、機(jī)械剛性不適配等問題，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而基于水凝膠的神經(jīng)微電極仍有很大的發(fā)展空間。要使神經(jīng)微電極適配不同腦區(qū)的微環(huán)境，未來的研究應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)響應(yīng)型水凝膠材料，以實現(xiàn)對電極的按需調(diào)控。

為實現(xiàn)高分辨率信號采集，則需獲得更高的信噪比，因此水凝膠的導(dǎo)電性以及長期穩(wěn)定性等問題需要進(jìn)一步解決。同時，基于水凝膠的神經(jīng)微電極需要兼?zhèn)涠喾N性能，包括長期植入穩(wěn)定性、精準(zhǔn)調(diào)控、功能修復(fù)等，以實現(xiàn)其在臨床中的應(yīng)用，因此后續(xù)的研究還要對其性能進(jìn)行不斷優(yōu)化。

4結(jié)語

水凝膠作為神經(jīng)微電極材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如合成方法多樣化、優(yōu)異的生物相容性、與組織匹配的機(jī)械性能等。本文對水凝膠的特性及合成方法和水凝膠對神經(jīng)微電極性能的影響進(jìn)行了綜述，現(xiàn)有研究表明，通過結(jié)合復(fù)合導(dǎo)電聚合物等材料，水凝膠可實現(xiàn)電極的良好生物相容性、機(jī)械適配性以及電化學(xué)性能的增強(qiáng)等。未來研究中，在保證水凝膠優(yōu)良性能的前提下，要進(jìn)一步探索其在神經(jīng)微電極中的應(yīng)用，使其成為高性能神經(jīng)微電極的核心材料。