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四川大學衛丹/范紅松 Mater. Horiz.：多巴胺整合的全凝膠多電極陣列用于神經活動記錄

2024-10-14 來源：高分子科技

導電凝膠由于具有類組織的力學強度和高含水量特性，是構建生物活性界面的首選材料。全凝膠神經電極通過集成凝膠基導電傳感層和絕緣封裝層，能夠最大限度地減少傳統金屬電極植入帶來的炎癥反應和膠質瘢痕生成。通常的導電凝膠需要整合導電填料（金屬納米顆粒、導電聚合物、碳納米管等）來獲得較高的導電性。但是，添加的剛性導電填料往往會降低電極的柔性并增加其力學強度，從而導致腦組織-電極界面的機械失配。此外，電極層-絕緣層、絕緣層-組織層之間的界面粘附性能直接影響神經電信號的監測質量。本研究通過雙策略誘導的PEDOT:PSS相分離構建出具有超高電導率的導電凝膠材料，并獲得優于金屬電極材料的信噪比。進一步地，通過多酚化學介導的層間粘附，制備了具有絕緣層-傳感層-屏蔽層等多層結構整合的多電極陣列，并成功應用于大鼠癲癇信號記錄與電刺激加載。

近日，四川大學范紅松教授、衛丹博士等設計開發了一種具有絕緣層-傳感層-屏蔽層等多層結構整合的全凝膠神經電極，通過多巴胺（DA）/激光雙策略處理誘導PEDOT:PSS的可控相分離，獲得具有超高電導率的導電凝膠傳感層，并通過整合DA修飾的絲素封裝層以及復合Mxene的電磁屏蔽層，實現了多酚化學介導的多層結構之間的穩定界面粘附。由于傳感層材料的超高導電性與多層界面之間的穩定性，該電極具有極高的電信號檢測精度和遠優于商用銀電極的信噪比。并進一步通過體內實驗證明，該電極能夠準確監測癲癇大鼠腦組織內單個和多個神經元的微弱神經活動信號，并能在癲癇發作期間對其大腦皮層實施電刺激，為神經退行性疾病的研究提供了有力工具。

圖1.激光/DA雙策略誘導PEDOT:PSS相分離與構象轉化，從而促進其電化學性能增強

PEDOT:PSS為兩相分布的導電高分子，其中疏水的PEDOT⁺為導電相，親水的PSS^-為絕緣相。誘導PEDOT和PSS兩相分離是調控PEDOT:PSS凝膠電導率的主要手段。該研究團隊利用DA與PSS之間的正負電荷相互作用，削減PEDOT與PSS之間的庫侖力，初步促進PEDOT:PSS的相分離，隨后利用激光進一步調控PEDOT:PSS的相分離程度。激光的高分辨率加工特性賦予了其精細的多陣列電極（MEAs）設計能力，能夠在誘導PEDOT:PSS相分離的同時實現圖案化電路的生成。此外，激光熱效應能夠促進絕緣PSS的熱分解，進一步提升體系中PEDOT的比例。結果證實，雙策略處理后的PEDOT:PSS中檢測到更高的載流子含量，并展現出更強的電化學性能和更高的電導率。

圖2.封裝層與電磁屏蔽層設計

引入絕緣封裝層是避免多通道記錄中信號串聯干擾的關鍵。該團隊采用DA修飾的天然高分子絲素蛋白(SF)作為封裝層材料，并通過聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGDE)交聯制備出絲素基凝膠(PSFD)封裝層，該PSFD凝膠展現出良好的拉伸性、光學透明度和組織匹配的機械模量。同時，通過引入復合Mxene的DA修飾透明質酸(HAD)凝膠制備出能夠免除電磁干擾（EMI）的凝膠屏蔽層（MHD），MHD的三維多孔結構及內部Mxene的層狀結構有利于電磁波的反射和散射耗散，使其具有優異的EMI屏蔽性能。結果證實，MHD在常見電磁波的X波段表現出43.2 dB的高屏蔽效能，能夠有效阻擋超過96.64%的入射電磁波，且濕環境更有利于EMI屏蔽功能，有利于神經電極在應用中減少環境噪聲、提高信噪比。

圖3. 全凝膠電極的制備及表征

全凝膠神經電極的制備過程展示如下：在PSFD絕緣封裝層上沉積DA摻雜的PEDOT:PSS薄膜，經激光蝕刻形成16通道圖案，再經過后清洗處理形成MEAs層；在獲得的MEAs層上覆蓋另一層PSFD絕緣封裝層，并選擇性地進行二次激光蝕刻以暴露電極點；最后再覆蓋MHD屏蔽層，以形成具有四層結構的神經電極。該電極通過DA在各層間的引入，實現了層間的緊密集成與穩定的界面適應性，確保了神經信號采集的可靠性和穩定性。

圖4. 在體多通道局部場電位（LFP）監測

隨后，使用該神經電極檢測體內電皮質圖（ECoG）記錄探究神經活動。在4-氨基吡啶（4-AP）誘導的大鼠癲癇模型中，該神經電極展現出優異的LFP捕獲能力，能夠記錄癲癇大鼠在靜息態、癲癇態和電神經調控后的恢復態下的相關信號。結果顯示，LFP振幅在靜息態保持低水平；癲癇發作期間振幅快速波動并隨病程進展增大，出現典型尖波；電刺激后振幅穩定并基本恢復正常。多通道LFP信號的時頻譜圖反映了癲癇發作期間異常神經元放電導致的頻譜功率增強，以及電神經調節誘導的能量降低。與常規金屬電極相比，該凝膠電極記錄的信號信噪比幾乎高出10倍，且背景噪聲更低，且在植入兩周后仍保持較高信噪比和LFP振幅水平。

圖5. 在體多通道動作電位（AP）監測

由于MEAs的加工精度（約15 μm）與神經元尺寸相匹配（小于100 μm），全神經電極極實現了對單個或多個神經元動作電位的精準監測。在4-AP誘導的大鼠癲癇模型中，通過閾值法進一步研究了神經元尖峰行為，發現多通道記錄的動作電位幾乎同時出現，與異常神經元的同步放電相關。通過計算不同記錄通道相對于通道1的尖峰時間延遲，發現記錄的電信號顯示出明顯的規律性和位置依賴性，符合癲癇持續狀態的異常神經元放電特征。并且，通過電神經調節能夠有效抑制癲癇樣放電活動。此外，該全凝膠神經電極在顱內植入2周后未引起明顯的組織損傷或炎癥反應，顯示出其在臨床診斷、監測和治療中的長期應用前景。

總結：該研究團隊制備了一種多層集合的全凝膠神經電極，通過雙策略誘導的PEDOT:PSS相分離實現傳感層的超高導電性，并結合多酚化學實現穩定的層間粘附性。基于此，該神經電極獲得了卓越的電化學穩定性。體內實驗表明，該神經電極能精準記錄癲癇大鼠的LFP信號，且能夠區分兩個不同神經元的尖峰信號。同時，該神經電極還能在癲癇發作期間向大鼠大腦皮層提供人工電刺激。這些結果都證明了該全凝膠神經電極在研究神經退行性疾病發展、功能及治療中的巨大潛力。

以上研究成果近期以“Dopamine-integrated all-hydrogel multi-electrode arrays for neural activity recording”為題，發表在《Materials Horizons》上。四川大學生物醫學工程學院/國家生物醫學材料工程技術研究中心曾明澤博士為文章第一作者，范紅松教授和衛丹博士后為文章的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、四川省自然科學基金等資助。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00939h

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（責任編輯：xu）

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