科学家开发神经元尺度的全水凝胶神经电极阵列
科学家开发神经元尺度的全水凝胶神经电极阵列
近日，中国科学院苏州纳米所研究员张珽团队突破水凝胶纤维的加工极限，成功开发出神经元尺度的全水凝胶神经电极阵列，将水凝胶纤维直径推进至亚微米级别，同时实现超软力学特性与高导电性能的统一，在小鼠大脑中完成了长达6个月的单神经元信号稳定追踪。相关研究成果发表于《物质》。
植入式神经接口是脑科学研究的核心变革技术，如何解决免疫排斥诱发的生物适配失效问题是该领域的研究重点，其根源在于植入器件与脑组织在尺寸、力学、拓扑及生化特性上的界面适配失衡。近年来，高含水、低模量、生物相容的水凝胶是理想的神经界面候选材料，但受限于微加工难度大、电学性能不足，如何通过分子与结构协同设计，兼顾微纳加工能力、高效电荷传导及长期体内稳定性，是水凝胶植入式神经接口面临的关键挑战。
研究团队从仿生角度出发，设计出与神经元细胞尺寸、力学、含水及三维拓扑高度匹配的全水凝胶电极体系，通过系统对比刚性电极与类神经元水凝胶纤维植入后引发的脑组织异物反应差异，明确了尺寸、模量、弯曲刚度等关键参数对生物相容性的影响，为低免疫神经界面的构建提供了清晰的设计依据。
通过优化湿纺工艺并协同调控拉伸与退火过程，成功将PEDOT:PSS 水凝胶纤维直径精准调控至 0.94-20 μm的神经元尺度，达到当前一维水凝胶加工的极限水平。在此过程中实现PEDOT与PSS双分子构象的精准调控，形成线性相分离结构，显著提升分子取向度、结晶尺寸并缩小π-π堆积距离，从分子层面建立起高效稳定的离子-电子传导通路，为高性能神经记录奠定基础。
得益于精细的分子结构设计，水凝胶纤维呈现出差异可调的干/湿态机械特征，既满足植入所需的结构强度，又具备与脑组织高度适配的超软特性，其极低的弯曲刚度可大幅缓解电极与神经组织界面的应力集中。有限元模拟与体外动态实验证实，该水凝胶电极能够随组织形变实现共形贴合，几乎不产生剪切损伤，展现出优异的动态软组织适配能力。
此外，在电学性能方面，水凝胶在生理环境中可长期保持高导电稳定性，拥有超高的电荷存储容量与电荷注入容量，在数万次电化学循环后性能衰减微弱，可同时胜任高质量神经信号记录与安全神经调控的双重功能。
研究团队以微创手术将16通道全水凝胶电极阵列植入小鼠运动皮层，术后超声成像显示电极状态稳定，能够在静息、麻醉、觉醒与剧烈运动等多种行为状态下，清晰采集高信噪比的单神经元锋电位，并精准解析神经元放电频率、功率谱密度及峰间间隔分布，完整反映大脑在不同行为模式下的神经活动规律。
长期在体实验结果表明，该全水凝胶电极阵列植入16周后未引发明显的胶质增生与免疫炎症反应，周围神经元分布正常，展现出极致的生物相容性。在连续6个月的单神经元追踪中，电极记录的信号波形高度稳定，信噪比维持在理想水平，通道阻抗波动微弱，成功实现了无免疫干扰、高保真、超长期的慢性神经活动记录，为下一代植入式神经界面提供了全新范式。
该工作聚焦高生物相容性水凝胶神经界面的开发与优化，为突破水凝胶电极器件在微纳加工、电学性能及体内长期稳定性方面的技术瓶颈，提供了创新思路与可行方案。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102798