深圳国际研究生院徐晓敏团队合作在全有机超柔性脑机接口领域取得新进展
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清华新闻网5月13日电 脑机接口技术在神经疾病诊疗、人机交互及认知研究等领域展现出重要应用前景。然而，传统金属电极因机械刚性过高（GPa量级），难以与柔软的生物组织（Pa-kPa量级）实现力学匹配，加之界面阻抗大、长期植入信号衰减明显等问题，限制了其在慢性神经接口中的应用。
针对上述挑战，清华大学深圳国际研究生院徐晓敏副教授团队与合作者提出一种全新策略：基于界面渗流结构开发出超高导电水凝胶（CHIP），成功构建了厚度仅9微米的全有机超柔性脑皮层电极阵列，实现了低阻抗、高通量、长期稳定的神经信号记录。
图1.CHIP设计原理及超柔性脑电极阵列整体结构与形貌
团队通过对导电聚合物（3, 4-乙烯二氧噻吩）——聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）与聚丙烯酰胺-海藻酸钠（PAAm-alginate）水凝胶网络之间界面行为的精细调控，发展出一种独特的界面渗流机制——带负电的亲水性PSS链自发向水凝胶内部渗透，而疏水的PEDOT链则在表面聚集重排。该界面自组装促使PEDOT从传统的“孤立岛状分布”转变为贯通网络，形成致密堆积的共轭堆叠，显著提升了面内载流子传输效率。由此制备的CHIP水凝胶展现出创纪录的电学性能：其面内电导率最高可达2512 S·cm−1，即使在高含水（通常>70wt%）条件下仍能实现高效电荷传输。该界面渗流策略为高导电水凝胶的设计提供了全新思路（图1）。
图2.CHIP界面渗流结构表征以及性能表征
CHIP水凝胶兼具力学柔顺性，其断裂伸长率约为124%，能够在反复形变条件下维持结构稳定。在电化学性能测试中，该材料显示出优异的电化学稳定性（图2）。
图3.全有机神经电极阵列的制备以及受限溶胀图案化方法
为解决水凝胶在湿润生理环境中的溶胀问题，团队发展出各向异性溶胀策略，通过水凝胶的预溶胀处理与基底亲水修饰，有效抑制了吸水过程中的面内溶胀，从而控制了材料的结构畸变，实现了微米级精度的高保真图案化制备。基于这一策略所制备的电极阵列，通道密度高达853channels·cm−2，较已报道的水凝胶电极提升超过一个数量级。同时，该器件整体厚度仅约9微米，能够紧密贴合脑组织表面，显著降低由界面机械失配引起的应力集中（图3）。
图4.全有机神经电极的急性在体信号采集
为系统评估该全有机超柔性电极阵列的神经信号记录性能，研究团队首先开展了急性在体实验。结果表明，该电极能够稳定贴附于大鼠脑表面，高保真地采集神经电活动信号。在信号幅值、信噪比及频谱特征等关键指标上，均优于传统铂电极。基于128通道高密度阵列，该电极实现了对多个脑区神经活动的同步记录，能够清晰分辨出自发脑电信号与外界刺激诱发的神经响应，充分展示了其在复杂神经信息获取方面的优势（图4）。
图5.全有机神经电极的慢性在体记录表现
在长期植入实验中，该全有机超柔性电极阵列在新西兰兔动物模型中实现了长达550天的稳定神经记录。在整个植入周期内，器件保持低阻抗界面与稳定的信号输出，能够高效捕捉脑电活动的动态变化，并用于解析不同神经状态与行为之间的关联。此外，长期植入后未见明显炎症反应或组织损伤，表明该体系具有优异的生物相容性与生物界面稳定性（图5）。
通过界面渗流机制的建立与器件集成创新，上述策略成功突破了水凝胶材料在导电性、稳定性与可加工性之间的关键瓶颈，为构建高性能、全有机、长期安全稳定的脑机接口系统提供了全新解决方案。
研究成果以“一种高导电性水凝胶用于全有机超柔性长期神经接口”（An exceptionally conductive hydrogel for all-organic, ultraflexible, and chronic neural interfaces）为题，于4月28日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。
清华大学深圳国际研究生院2022级博士生朱瑞琦为论文第一作者。清华大学深圳国际研究生院副教授徐晓敏，日本理化学研究所、东京大学教授染谷隆夫（Takao Someya），中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师李骁健为论文通讯作者。
研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东省创新创业研究团队项目、深圳市高层次人才团队项目、日本科学技术振兴机构CREST等支持。
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