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

圖1.激光/DA雙策略誘導(dǎo)PEDOT:PSS相分離與構(gòu)象轉(zhuǎn)化，從而促進其電化學(xué)性能增強

圖2.封裝層與電磁屏蔽層設(shè)計

圖3. 全凝膠電極的制備及表征

圖4. 在體多通道局部場電位（LFP）監(jiān)測

圖5. 在體多通道動作電位（AP）監(jiān)測

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

  總結(jié)：該研究團隊制備了一種多層集合的全凝膠神經(jīng)電極，通過雙策略誘導(dǎo)的PEDOT:PSS相分離實現(xiàn)傳感層的超高導(dǎo)電性，并結(jié)合多酚化學(xué)實現(xiàn)穩(wěn)定的層間粘附性�；诖�，該神經(jīng)電極獲得了卓越的電化學(xué)穩(wěn)定性。體內(nèi)實驗表明，該神經(jīng)電極能精準(zhǔn)記錄癲癇大鼠的LFP信號，且能夠區(qū)分兩個不同神經(jīng)元的尖峰信號。同時，該神經(jīng)電極還能在癲癇發(fā)作期間向大鼠大腦皮層提供人工電刺激。這些結(jié)果都證明了該全凝膠神經(jīng)電極在研究神經(jīng)退行性疾病發(fā)展、功能及治療中的巨大潛力。

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