2水凝膠對神經微電極性能的影響

2.1生物相容性

當神經微電極植入生物組織時，會破壞血管導致神經細胞損傷，破壞血腦屏障，使宿主血清蛋白吸附在電極表面，激活小膠質細胞引發組織炎癥，導致植入電極周圍形成膠質瘢痕。水凝膠具有優良的生物相容性，可減少電極周邊蛋白質吸附，進而減少神經元細胞損傷和電極周圍的膠質瘢痕。Kleber等使用合成水凝膠和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)制備了復合導電聚合物水凝膠系統（如圖3）。

圖3導電聚合物水凝膠成分示意圖

該復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、優良的電荷穩定性和良好的生物相容性。Lin等通過酶介導的轉移印花技術，將摻雜各種導電納米粒子的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）轉印到微生物谷氨酰胺轉氨酶凝膠（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印制作

細胞實驗結果表明，細胞在整個裝置上都能出現黏附和分化，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，微球中含有環孢素A（Cyclosporin A，CsA）（如圖5）。

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

圖5神經電極的制造工藝示意圖

2.2機械性能

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

圖6含PLANR的瓊脂糖水凝膠的神經電極

流變學實驗表明隨著PLANR的分散，水凝膠三維網絡結構密度增加，瓊脂糖水凝膠的彈性模量也隨之增大，有效增強了神經微電極水凝膠的力學性能。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，制備了導電水凝膠微電極陣列（如圖7），其具有與神經組織匹配的彈性模量，增強了神經電極的機械性能。

圖7電極的結構示意圖及涂層工藝流程圖

2.3電化學性能

導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界面的電化學性能。而水凝膠因含水量較高，力學性能與生物組織接近，可以促進神經細胞和電極的結合。所以，將水凝膠和導電聚合物共混作為電極涂層，可以在電極和生物組織間創建穩定的界面，改善神經微電極的電化學性能。Yin等通過原位聚合法制備了聚吡咯-海藻酸鈉復合水凝膠，并將氯化鐵摻雜其中（如圖8）。這使得水凝膠結構更加均勻，電荷轉移電阻較小，提高了其電化學性能。

圖8復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能力，可以提升神經微電極的性能。水凝膠的自修復能力可以使其在受到損傷時自動修復，延長神經微電極的耐用性。Das等研發了一種具有自修復能力、強附著力和電性能快速恢復能力的新型雙網絡水凝膠。實驗結果表明，在柔性聚氨酯襯底上組裝電路，用該水凝膠做成的導線進行連接，當移除部分水凝膠時電路中斷，將水凝膠注入電路斷開位置，立即恢復電極的導電性。神經微電極和神經組織之間緊密的神經接口對于神經調節至關重要。

水凝膠的黏附性可以使神經電極緊密固定在神經外膜表面以構建穩健的神經接口。Yang等用PEDOT:PSS網絡和多功能聚兩性離子聚磺基甜菜堿（PSB），構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絡中，使其具有更高的透明度、自黏附性和更低的阻抗。

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

3水凝膠神經微電極未來發展方向

水凝膠作為一種新型功能材料，具有良好力學性能、生物相容性、自修復和自黏附等優點，在組織工程、藥物輸送和可植入設備等方面具有廣泛應用。在神經微電極領域，水凝膠發展迅速，有效解決了傳統剛性電極生物相容性差、機械剛性不適配等問題，展現出巨大的應用潛力。然而基于水凝膠的神經微電極仍有很大的發展空間。要使神經微電極適配不同腦區的微環境，未來的研究應進一步開發響應型水凝膠材料，以實現對電極的按需調控。

為實現高分辨率信號采集，則需獲得更高的信噪比，因此水凝膠的導電性以及長期穩定性等問題需要進一步解決。同時，基于水凝膠的神經微電極需要兼備多種性能，包括長期植入穩定性、精準調控、功能修復等，以實現其在臨床中的應用，因此后續的研究還要對其性能進行不斷優化。

4結語

水凝膠作為神經微電極材料具有獨特的優勢，如合成方法多樣化、優異的生物相容性、與組織匹配的機械性能等。本文對水凝膠的特性及合成方法和水凝膠對神經微電極性能的影響進行了綜述，現有研究表明，通過結合復合導電聚合物等材料，水凝膠可實現電極的良好生物相容性、機械適配性以及電化學性能的增強等。未來研究中，在保證水凝膠優良性能的前提下，要進一步探索其在神經微電極中的應用，使其成為高性能神經微電極的核心材料。