柔性非瞬态电平台可以实现活体组织间的双向神经通信，对神经科学的基础研究和非药物治疗疾病或紊乱有重要意义。一种柔软、生物兼容和导电的神经界面，具有机械耦合和高效的电交换是新的风向标，但仍然具有挑战性。
近日，四川大学范红松教授等人以机械顺应、导电和生物相容的水凝胶电极的形式，设计了一个多功能的神经电通讯平台。从家蚕蚕茧中提取丝素蛋白(SF)与醛-透明质酸(HA-CHO)通过动态网络复合，延缓或中断β-薄片诱导的丝素链硬化，从而制备出与生物组织机械匹配的水凝胶基质。此外，功能化碳纳米管(CNTs)的加入促进了它们的相互作用和分散，使水凝胶电极具有高电流渗透网络，从而有助于提高电导率、阻抗和电荷存储能力。这些进展提供了高时空刺激和记录体内植入的神经信号。广泛的动物实验表明，该平台最小的异物反应，从而展示了一个有前途的电生理界面，实现了在神经科学的潜在应用。相关工作以“A mechanically adaptive hydrogel neural interface based on silk fibroin for high efficiency neural activity recording”为题发表在最新一期的《Materials Horizons》。
方案1. 基于SF的电神经界面设计策略。
如方案1所示，在本研究目标是建立电神经水凝胶电极，以实现具有极低阻抗和优越电荷存储性能的双向神经界面，同时是柔软、共形、导电和生物相容性的集成。材料包含一种动态交联、柔性的SF-醛-HA衬底，其力学性能与软组织相匹配，从而实现电极与原生组织的共形结合，而无需使用任何额外的固定工具。此外，将酪氨酸(TA)单体化学接枝到碳纳米管上，通过加入更多可用于交联的酚基，实现SF的更快凝胶化，并在SF和碳纳米管之间构建三维共价网络，同时增加碳纳米管的生物相容性。因此，有效构建三维电渗流网络将极大地促进电子在神经界面的传输，并有效地记录微弱的神经信号。
图1. SF基水凝胶的制备及性能研究。
【SF基复合水凝胶的制备】
材料的制备过程如图1a所示。SH与TA-CNT进行共价快速交联，形成酪胺-酪氨酸键和二酪氨酸交联，在60 s内生成共价网络，随着TA-CNTs的增加，溶胶-凝胶时间大大缩短。随着时间的推移，β片晶主导了初始交联SF水凝胶的硬化，这不利于获得稳定的力学性能。如图1h所示，1620 cm -1处的β-片晶峰随着HA-CHO的存在而减小，TACNT与SF共价交联后，β-片晶峰进一步减小。此外其他的实验结果证明了交联HA链和TA-CNT能够成功打断SF的β片结晶，从而快速建立稳定的软力学机制，而不是刚性力学机制。
如2. 水凝胶电极在电化学和表皮生物电子学中的应用。
【SHC水凝胶的电导率和电化学性能】
神经系统的信号传递是通过诱导离子通过神经细胞膜来实现的，这会改变细胞外液中离子的浓度。电极和组织的物理机械耦合将减少界面阻抗，进一步，得益于更高的电容和更低的界面阻抗，CNTs可以促进电荷转移和电化学性能，这在神经记录和刺激方面有潜力。
如图2b所示，在1 kHz参考频率下，阻抗从SH到SHC的值分别为1 kΩ和0.1 kΩ。这种剧烈的阻抗下降将电极-组织界面的不利电阻抗上升降至最低，这表明TA-CNTs在水凝胶神经电极中的优势得到了改善。此外，与SH水凝胶相比，SHC水凝胶电极在低频时的阻抗曲线相位角更低，接近0°(图2c)，说明电流和电压响应快，对神经电刺激时的电荷注入非常有利。
如图2e所示，SHC水凝胶电极记录的电流稳定，CIC值为35μC cm -2，表明SHC在神经刺激过程中注入外部电流时不会阻碍电流传递。此外，SHC水凝胶电极与Pt的CV曲线在-0.6 V ~ 0.6 V的电位窗口内表现出了显著的性能，计算得到的电荷存储能力(CSC)高达320 mC cm -2，远高于Pt电极。因此，优异的电荷积累和存储能力是SHC水凝胶电极电容提高的主要原因。
图3. 水凝胶电极电活性刺激和体内实验记录。
【SHC作为水凝胶电极用于体内电刺激和记录】
研究者采用SHC作为软电极，在癫痫发作时的活心脏、坐骨神经和大脑皮层进行刺激和记录，如图3所示。如图3b所示，使用SHC电极记录的心外膜ECG的最大信噪比(SNR)为37，而Pt电极的信噪比仅为15，远高于之前报道的值。信噪比的显著提高无疑是由于SHC水凝胶电极的电化学(低界面阻抗和高电容)性能的显著提高，使心脏更容易接受来自心脏内部的脉冲信号。
图4. 水凝胶电极的体内外生物相容性。
【小结】
综上所述，研究者报道了一种具有柔性、生物相容性、导电性和可植入性的水凝胶电平台，并从材料科学的角度系统研究了该神经电通信平台的化学、电化学、力学和生物性能。研究者提出了一种新的材料，利用SF和HA-CHO与动态亚胺交联水凝胶网络实现与组织的软共形接触，这种动态交联通过拓扑约束延缓了SF水凝胶基质的结晶和硬化。此外，TA-CNT的高导电性，加上动态水凝胶基质，使水凝胶电极具有显著的低阻抗和高电容，提高了其在活体组织中刺激和记录的稳定性和保真度。在体内应用中，SHC水凝胶电极在神经活动记录包括心外膜心电图、坐骨神经和癫痫记录期间获得了高信噪比。同时，水凝胶电极中的TA-CNT成功地记录和放大了大脑的神经活动。
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d2mh00533f
来源：高分子科学前沿
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