高魯棒性植入式神經(jīng)電極界面，用于神經(jīng)元電活動的長期追蹤記錄

植入式神經(jīng)電極技術(shù)的發(fā)展已成為神經(jīng)環(huán)路精準(zhǔn)解析過程中的關(guān)鍵研究工具。然而，長期穩(wěn)定的神經(jīng)電極界面在活體水平的應(yīng)用上仍面臨挑戰(zhàn)。

針對上述問題，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院、腦認(rèn)知與類腦智能重點實驗室魯藝研究員團隊，報道了一種利用原位電化學(xué)沉積和負(fù)電荷基團摻雜的策略?；谶@一策略，團隊成功研發(fā)出高魯棒性的植入式神經(jīng)電極界面，并在活體水平實現(xiàn)對神經(jīng)元電活動的長期追蹤記錄，為腦認(rèn)知和腦疾病的深入解析提供重要的技術(shù)支持。相關(guān)研究成果以“Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/ Functional Gold Nanoparticle films for Improving the Electrode-Neural Interface”為題，發(fā)表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

電極界面功能的長期可靠性不僅依賴于其生物相容性，機械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性在慢性植入過程中亦扮演著至關(guān)重要的角色。該團隊成功通過原位電化學(xué)沉積技術(shù)，在電極界面上形成一層納米金顆粒。隨后，利用自組裝原理，將帶有負(fù)電荷的羧基基團巧妙引入納米金顆粒表面。得益于電荷間的相互作用力，團隊進一步通過電化學(xué)聚合方法，將帶有正電荷的導(dǎo)電聚合物牢固連接在納米金顆粒表面，從而構(gòu)建了神經(jīng)界面修飾層PEDOT/3-MPA-Au。此策略不僅顯著擴展了電極界面的電活性面積，更實現(xiàn)了界面應(yīng)力的有效分散，從而顯著提升了電極界面的整體性能。

穩(wěn)定高效的PEDOT/3-MPA-Au神經(jīng)電極設(shè)計原理

研究團隊證實，所提出的方法能夠有效強化導(dǎo)電聚合物修飾層與剛性電極間的結(jié)合，展現(xiàn)出卓越的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性。在經(jīng)歷多達(dá)100次的循環(huán)伏安測試以及機械超聲（功率為120 W）的嚴(yán)格測試后，PEDOT/3-MPA-Au電極仍維持著較低的電化學(xué)電阻。

此外，團隊還借助有限元分析，對PEDOT/3-MPA-Au以及傳統(tǒng)導(dǎo)電聚合物膜（PEDOT/PSS）在電化學(xué)作用及溶液環(huán)境下的擴展過程進行了研究，并揭示了裂紋的萌生與擴展過程。從理論層面，研究團隊深入闡釋了修飾層與基體界面間的增韌機制，即PEDOT/3-MPA-Au在襯底界面處經(jīng)歷的膨脹與應(yīng)變最小，從而揭示了其在提升界面長期穩(wěn)定性方面的關(guān)鍵作用。

PEDOT/3-MPA-Au電極修飾層的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性

此外，研究團隊將修飾有PEDOT/3-MPA-Au的神經(jīng)電極陣列植入小鼠背側(cè)海馬區(qū)域，并進行了長期的功能驗證。經(jīng)過長達(dá)數(shù)月的電生理記錄，研究團隊發(fā)現(xiàn)PEDOT/3-MPA-Au修飾后的神經(jīng)電極展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，成功記錄到了更多的高信噪比神經(jīng)元的電活動。這一發(fā)現(xiàn)充分證實了該神經(jīng)電極在體內(nèi)具備持續(xù)捕獲高質(zhì)量、穩(wěn)定長期電生理信號的能力。更為關(guān)鍵的是，實驗結(jié)果進一步證實了該神經(jīng)電極陣列在活體動物中具有對相同神經(jīng)元進行長期穩(wěn)定跟蹤記錄的潛力，將為神經(jīng)環(huán)路解析提供有力的支撐。

PEDOT/3-MPA-Au神經(jīng)電極的慢性電生理記錄性能

總之，這項工作不僅為神經(jīng)環(huán)路功能研究和腦機接口研究提供了重要的技術(shù)支持，還有望為神經(jīng)精神疾病的診療提供新的工具。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦所巫祎詠、王璐璐和閻夢縈為這項工作的共同第一作者，魯藝博士為通訊作者（主要負(fù)責(zé)電極界面設(shè)計、穩(wěn)定性和生物學(xué)驗證）。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）柯丁寧博士為這項工作的共同通訊作者（主要負(fù)責(zé)電極材料的理化表征和界面分析）。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、國家科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目等項目的資助。部分工作在深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持下完成。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adhm.202400836



審核編輯：劉清