植入式神經電極技術的發展已成為神經環路精準解析過程中的關鍵研究工具。然而，長期穩定的神經電極界面在活體水平的應用上仍面臨挑戰。

針對上述問題，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所/深港腦科學創新研究院、腦認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沉積和負電荷基團摻雜的策略。基于這一策略，團隊成功研發出高魯棒性的植入式神經電極界面，并在活體水平實現對神經元電活動的長期追蹤記錄，為腦認知和腦疾病的深入解析提供重要的技術支持。相關研究成果以“Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/ Functional Gold Nanoparticle films for Improving the Electrode-Neural Interface”為題，發表在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，機械穩定性和電化學穩定性在慢性植入過程中亦扮演著至關重要的角色。該團隊成功通過原位電化學沉積技術，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聚合方法，將帶有正電荷的導電聚合物牢固連接在納米金顆粒表面，從而構建了神經界面修飾層PEDOT/3-MPA-Au。此策略不僅顯著擴展了電極界面的電活性面積，更實現了界面應力的有效分散，從而顯著提升了電極界面的整體性能。

穩定高效的PEDOT/3-MPA-Au神經電極設計原理

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

此外，團隊還借助有限元分析，對PEDOT/3-MPA-Au以及傳統導電聚合物膜（PEDOT/PSS）在電化學作用及溶液環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在襯底界面處經歷的膨脹與應變最小，從而揭示了其在提升界面長期穩定性方面的關鍵作用。

PEDOT/3-MPA-Au電極修飾層的電化學和機械穩定性

此外，研究團隊將修飾有PEDOT/3-MPA-Au的神經電極陣列植入小鼠背側海馬區域，并進行了長期的功能驗證。經過長達數月的電生理記錄，研究團隊發現PEDOT/3-MPA-Au修飾后的神經電極展現出了優異的性能，成功記錄到了更多的高信噪比神經元的電活動。這一發現充分證實了該神經電極在體內具備持續捕獲高質量、穩定長期電生理信號的能力。更為關鍵的是，實驗結果進一步證實了該神經電極陣列在活體動物中具有對相同神經元進行長期穩定跟蹤記錄的潛力，將為神經環路解析提供有力的支撐。

PEDOT/3-MPA-Au神經電極的慢性電生理記錄性能

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

中國科學院深圳先進技術研究院腦所巫祎詠、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（主要負責電極界面設計、穩定性和生物學驗證）。哈爾濱工業大學（深圳）柯丁寧博士為這項工作的共同通訊作者（主要負責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基金委優秀青年基金、國家科技創新2030——“腦科學與類腦研究”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設施的支持下完成。

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



審核編輯：劉清