腦機接口（BCI）的使用正迅速成為診斷和治療各種腦部疾病的變革性方法。通過促進大腦和外部設備之間的直接通信，BCI 有可能徹底改變神經活動監測、有針對性的神經調控策略和大腦功能的恢復。

然而，BCI 技術在實現長期、穩定、高質量的記錄和準確調節神經活動方面面臨著重大挑戰。 傳統的植入式電極主要由金屬、硅和碳等剛性材料制成，具有出色的導電性，但可能存在異物排斥、神經信號衰減等問題。為了解決這些限制，鑒于水凝膠與腦組織的機械和化學相似性，水凝膠正在成為BCI的有前途的候選者。

這些水凝膠由于其三維富水結構、柔軟的彈性特性、生物相容性和增強的電化學特性，特別適用于植入式神經電極。這些卓越的功能使其成為信號記錄、神經調節和神經系統疾病有效療法的理想選擇。

近期， 中國科學院長春應用化學研究所張強研究員團隊 提供了對植入水凝膠電極及其在推進BCI技術中的作用的全面分析（圖1），重點介紹了它們在神經信號記錄和神經調控技術方面的獨特特性，其最終目的是治療腦疾病 相關研究成果以 “Implantable hydrogels as pioneering materials for next-generation brain–computer interfaces” 為題于2025年3月4日發表在《 Chemical Society Reviews 》上。

圖1 水凝膠神經電極性能，神經信號記錄，神經調節和腦部疾病治療示意圖

植入式水凝膠電極是下一代BCIs的關鍵，因其機械和化學特性與腦組織兼容，具有大規模含水的三維結構及增強的電化學性能，是神經信號記錄和神經障礙調制治療的理想選擇。植入式水凝膠電極可在不同的空間尺度和解剖結構上監測神經活動。

為了實現有效的雙向通信，植入式水凝膠必須具有特定的特性，如電導率、模量、模量匹配、粘附、生物相容性、透明度和多孔性等（圖2）。雖然植入水凝膠在BCIS中顯示出對神經調節的希望，但在優化其實際使用的特性方面仍然存在重大挑戰。正在進行的跨學科研究和創新正在解決這些問題，旨在為有效且可靠的BCI提供必要的電氣，機械和生物學特征。表1總結了文獻中報道的植入式水凝膠材料的典型特性。

圖2 植入式水凝膠電極的特性

表1 水凝膠材料的電化學性能、楊氏模量、生物相容性及其應用總結

神經系統通過神經網絡產生和傳輸調節情緒、運動、感知和學習的神經信號。當神經元的膜電位受到足夠刺激時，會引發動作電位（AP），這是納米級生物電子活動的基本單元。

在細胞水平上，細胞外電位隨距離源（如神經元胞體或軸突）的增加而迅速衰減。同步神經元活動的疊加導致組織規模的振蕩和電勢節律，稱為局部場電位（LFPs）。

植入式電極用于在腦組織和外部電子設備之間建立電連接，實現信號和信息的傳輸。鑒于組織-電極界面的復雜性和可變性，戰略性指導方法對于下一代生物電子材料和設備的成功開發至關重要（圖3）。

本文探索了水凝膠在記錄腦神經信號方面的獨特優勢，并回顧其最新進展，特別是植入式水凝膠在檢測大腦信號中的作用。主要包括對單神經元棘波的記錄（圖4）和局部場電位記錄（圖5）。

圖3 腦神經信號記錄示意圖

圖4 植入式水凝膠用于單神經元棘波記錄

圖5 植入式水凝膠用于局部場電位記錄

神經調節是一種通過光、電、聲等外部刺激影響神經系統，治療神經和神經精神疾病的新興技術。它通過改變神經元膜電位，調節神經遞質釋放，從而激活、抑制或調節神經網絡行為。

神經調節可精確刺激功能障礙的神經回路，改善疾病結果，是恢復或增強運動、感覺和認知功能的有力工具。其主要挑戰在于實現高精度刺激并減少對周圍組織的損害。結合神經記錄與調節技術對于實時監測腦活動、確保安全有效調節至關重要。材料創新對確保神經調節的有效性、安全性和長期穩定性具有重要意義。

水凝膠因其與腦組織相似的物理化學性質，成為神經調節的理想材料，可用于輸送光信號、電脈沖和超聲波等神經調節劑（圖6）。

盡管水凝膠在神經調節領域具有優勢，但相關研究仍處于早期階段，目前報道的實例有限，且大多與光遺傳調節（圖7）有關，電刺激（圖8）、超聲（圖9）和磁神經調節（圖10）的研究相對較少。

圖6 神經調節示意圖

圖7 光遺傳神經調節

圖8 電刺激神經調節

圖9 超聲神經調節

圖10 磁刺激神經調節

腦部疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇和中風等，是復雜的醫學難題，主要由神經回路功能障礙引起，導致認知、運動、情緒和感覺障礙。

目前的臨床治療雖能緩解癥狀，但無法完全恢復，且病情可能惡化。神經調節通過精確調控異常神經回路的活動，幫助恢復或增強大腦功能，是治療腦部疾病的有前途的方法。

鑒于此，本文全面概述了神經調節在腦部疾?。ㄈ缒X中風、阿爾茨海默氏癥、帕金森病、癲癇、抑郁癥和神經性疼痛，圖11-16）治療中的應用，特別強調水凝膠神經電極的作用，并討論了其他替代電極材料，以期為腦部疾病的神經調節治療提供系統框架。

圖11 神經調節在腦中風治療中的應用

圖12 神經調節在阿爾茨海默氏癥治療中的應用

圖13 神經調節在帕金森病治療中的應用

圖14 神經調節在癲癇治療中的應用

圖15 神經調節在抑郁癥治療中的應用

圖16 神經調節在神經性疼痛治療中的應用

盡管水凝膠在BCIs中表現出色，但仍面臨一些挑戰，如長期穩定性、機械特性和透明度的平衡。未來的研究需要在材料設計和制造技術上進行創新，以確保水凝膠基BCIs的有效性和可靠性。

（1）材料設計與創新：未來的研究應集中在開發具有高導電性、低模量、高透明度和良好生物相容性的水凝膠材料。通過特殊的化學修飾策略，如調整填料的大小和組成，設計動態拓撲結構，可以解決電導率和透明度之間的權衡問題。

（2）制造技術的改進：當前水凝膠電極的制造技術較為復雜，限制了其廣泛應用。未來需要開發可擴展的制造方法，以實現大規模生產和應用。

（3）生物相互作用研究：需要進一步研究水凝膠與神經組織之間的相互作用，包括水凝膠對神經元生長、突觸可塑性和整體神經健康的影響。

（4）神經調節機制的深入研究：雖然神經調節在治療腦部疾病方面顯示出巨大潛力，但其基本機制仍需進一步探索。未來研究應關注神經調節的時空分辨率和精確性，以及水凝膠在磁遺傳學和聲遺傳學中的應用。

（5）臨床應用的推進：水凝膠基BCIs的臨床應用需要在長期穩定性和安全性方面進行更多研究。通過結合先進的材料設計和微納制造技術，可以開發出更可靠的植入式神經電極，推動神經調節技術的臨床應用。

來源于：EFL公眾號