南科大刘吉团队提出导电聚合物水凝胶用于构筑稳定高效神经电极界面的设计方法
2022年12月08日 科研新闻 浏览量 :1070

稳定高效的神经接口是诊断和治疗各种神经紊乱/疾病的最有效途径之一,如癫痫,帕金森,阿尔茨海默症等。导电聚合物具有优异的电学/电化学性质及生物兼容性,例如PEDOT:PSS聚合物或水凝胶,被认可为综合性能优异的神经界面材料。然而,在潮湿的生理环境中,导电聚合物与电极之间的界面稳定性差;尤其是在长期的电刺激过程中,PEDOT:PSS涂层会发生持续的体积膨胀/收缩,导致聚合物/水凝胶涂层内部和界面的裂纹产生、涂层脱落等结构破坏,电化学性能急剧降低,脑部疤痕形成和炎症反应,极大地限制了神经诊断和治疗的实用性和可靠性,为生物电子在脑机接口领域的广泛应用提出了重大挑战。

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近日,南方科技大学机械与能源工程系副教授刘吉团队联合中科院深圳先进院鲁艺团队在Advanced Materials上发表文章Engineering Electrodes with Robust Conducting Hydrogel Coatingfor Neural Recording and Modulation,报道了一种普适高效的构筑方法,实现导电聚合物水凝胶与传统金属生物电极的稳定高效界面,用于神经信号记录和神经类疾病的电刺激治疗。

该团队通过将功能长链聚合物(聚(苯乙烯磺酸-co-4-乙烯吡啶)(Poly(SS-4VP))化学接枝到金属基底上,电化学沉积导电聚合物(如:PEDOT等)和进一步化学交联,制备出PEDOT: Poly(SS-4VP)互穿网络水凝胶(图1)。这一方法不仅能够实现导电聚合物水凝胶与刚性电极形成坚韧的共形界面,兼具机械柔性、高导电性和长期电化学稳定性。他们进一步将修饰有PEDOT:Poly(SS-4VP)水凝胶的生物电极植入到生物体脑内,在长期低电压电刺激下,导电水凝胶/电极界面保持稳定,可以实现持久稳定的电生理记录和电刺激。

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图1. 稳定高效导电聚合物水凝胶神经电极涂层的设计原理。

导电水凝胶涂层的长期稳定性是生物电极在生物体内植入和发挥功效的关键因素。该团队通过对比研究发现直接电化学沉积获得的PEDOT:PSS涂层在10,000次循环伏安之后电化学性能明显下降,电荷存储能力(CSC)下降45%以上,无法满足体内应用(图2)。与之相对应,PEDOT:Poly(SS-4VP)水凝胶涂层在10,000次循环伏安之后电化学性能保持稳定。此外,该团队也通过机械超声(功率110 W)的方法考察了这类导电聚合物水凝胶涂层的稳定性,得到了类似的结论。该团队进一步通过数值模拟分析,揭示了他们的增韧机制(长链聚合物共价锚定和化学交联协同)在提高界面长期稳定性中的作用,为后续各类导电聚合物涂层的制备提供了理论指导。

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图2. PEDOT:Poly(SS-4VP)水凝胶电极涂层的电化学和机械稳定性。

该团队通过这类具有PEDOT:Poly(SS-4VP)水凝胶涂层的生物电极植入到小鼠海马区,在长达4周的电生理记录过程中,导电聚合物水凝胶/电极界面稳定,且在1 kHz下的阻抗值始终低于250 kΩ,确保高分辨率的电生理记录(图3)。综上所示,这类导电水凝胶涂层的构筑策略为高性能神经界面的构建、新一代脑机接口技术的开发,如神经类疾病的电生理记录和生物电子疗法等,提供了技术支撑。

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图3.PEDOT:Poly(SS-4VP)水凝胶电极体内电生理记录和电刺激过程。

南科大机械与能源工程系2022届研究生张加俊为论文第一作者,中科院深圳研究院博士后王璐璐和南科大机械与能源工程系2020级研究生薛羽为论文共同一作,刘吉为通讯作者,中科院深圳研究院研究员鲁艺为共同通讯。南科大为论文第一单位。

该研究得到科技创新2030脑科学与类闹研究重大项目、深圳市政府和南方科技大学科研启动基金、麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心、深圳市科技创新委员会和广东省基础研究和应用基础研究等基金项目的资助。

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209324 

 

供稿:机械与能源工程系

通讯员:邓苏

主图:丘妍

编辑:朱增光

 

 


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