摘要早期的神經微電極多由半導體和金屬等剛性材料制成，其生物兼容性差、易引起免疫反應損傷神經組織。水凝膠修飾的神經微電極憑借三維親水聚合物網絡結構、優異的機械性能和良好的生物相容性得到了廣泛的應用，且在水凝膠網絡結構中填充聚合物可以提高性能、改善電極/神經組織界面和提升長期穩定性。


本文介紹了水凝膠的特性及合成方法，并從生物相容性、電極機械性能和電化學性能以及電極的耐用性和穩定性等方面論述了水凝膠修飾神經微電極性能的影響，最后展望了水凝膠神經微電極未來的發展方向。


引言


對神經組織進行電刺激是治療神經失調、脊柱損傷和運動障礙等疾病的有效方式，其中神經微電極是實現神經組織和外部電子系統間信息融合的界面器件[1]。根據《中國制造2025》、科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目和《新一代人工智能發展規劃》等戰略規劃，研究與開發生物相容性好、高空間分辨率、高電荷注入能力的神經微電極，是不斷增強核心科技競爭力的關鍵方向。


傳統神經微電極包括金屬微絲電極、Michigan硅基微電極和Utah硅基微電極等，以這些材料為主的電極，生物兼容性差、硬度遠高于神經組織，容易引起排異反應。因此，開發具有良好組織貼合性和電場穩定性的新材料成為研究熱點。


水凝膠具有三維親水聚合物網絡結構、比表面積大、出色的電子與離子傳輸能力，成為構筑神經微電極的理想材料，在神經微電極研究領域具有重要意義。


本文總結了合成水凝膠的幾種不同方法，對其合成條件及得到的水凝膠的特性進行了概述；并分析了水凝膠修飾的神經微電極在生物相容性、機械性能及電化學性能等方面的優勢，為水凝膠在神經微電極中的應用提供了理論參考。


1水凝膠的特性及合成方法


1.1水凝膠的特性


水凝膠是一種在組織工程、藥物輸送和可植入設備等方面具有廣泛應用的柔性材料，其含水率高，質地柔軟，具有優異的力學性能，可以通過注射成型、澆注成型等方式產生復雜的三維幾何結構。Cha等設計了一種具有良好拉伸性能、快速凝膠化和強黏附性的可注射水凝膠，其拉伸性能可加速傷口的愈合；快速凝膠化和強黏附性可讓其作為止血劑，通過微創技術用于撕裂器官。


Ahmed等設計了一種可注射的殼聚糖-聚乙二醇水凝膠系統，其可將阿霉素和碳酸氫鈉輸送到惡性腫瘤，在緩沖細胞外酸度的同時實現化療藥物的遞送。Liang等設計了一種具有良好拉伸性能和自恢復能力的水凝膠材料，可用于可穿戴設備和可植入電極，來獲取生理壓力信號、記錄大鼠腦內局部電場電位。


拉伸/壓縮試驗表明，該水凝膠沒有明顯的性能損失，其在拉伸和壓縮方面具有優異的抗疲勞性能。水凝膠還具有優異的擴散性能，可通過釋放神經營養因子來提高神經元存活率、通過釋放抗炎藥減少植入神經微電極部位周圍的炎癥。


Feng等通過共混功能性自組裝肽溶液和絲素蛋白溶液制備了雙網絡雜化水凝膠，并將有助于神經再生的神經營養因子-3包封進水凝膠中，利用水凝膠的特性達到緩慢持續地釋放，來調節早期的炎癥反應、促進神經再生。水凝膠與人體組織相接觸時，水凝膠表面上的蛋白質和細胞黏附較少，表現出良好的生物相容性。Sun等設計并制備了一系列聚酰胺-胺水凝膠，通過調控有利于細胞黏附的雙酰胺組分和抗蛋白黏附兩性離子組分，同時實現優異的細胞黏附和抗非特異性蛋白黏附功能。


Li等設計制備了一種具有優異抗溶脹性和生物相容性的水凝膠。研究表明，該水凝膠由于其超親水性，表面形成的水合層減少了蛋白質、細胞和水凝膠之間的相互作用；在水凝膠網絡結構中填充聚合物可以改善電極/神經組織界面和保持長期穩定性，以提高其性能。