基于软石墨烯凝胶的高灵敏神经微电极阵列

Microelectrode arrays are important tools for recording the cell electrophysiological signals,and have been widely used in neuroscience research. However, there exists mechanical mismatch between hard microelectrode and soft cell tissue, causing inflammatory response and affecting the accurate measurement of electrical signals. The project aims to develop graphene hydrogel as a new type of electrode material, and fabricate graphene hydrogel based microelectrode arrays through screen printing. This project also aims to quantitatively study the relationship between the Young's modulus of hydrogel microelectrode and inflammatory response of neural tissue, and explore its application in neural recording and modulation. The project will combine the advantages of low modulus and high capacitance of graphene hydrogels to optimise the performance of the neural microelectrode arrays, including signal-to-noise ratio, charge injection capacity and stability. This project provides a new strategy for fabricating high-performance microelectrode arrays through well-designed electrode-tissue interface, and expects to promote its clinical application.

微电极阵列是检测细胞电生理信号的重要工具，在神经科学领域具有广泛的应用。然而，硬微电极与软细胞组织之间普遍存在机械失配，容易引起排异反应，影响电信号的精确检测。项目拟发展石墨烯水凝胶为新型电极材料，通过丝网打印制备石墨烯凝胶微电极阵列，定量研究凝胶电极杨氏模量与神经组织免疫反应的关系，探索其在神经电信号记录与调控上的应用。项目将结合石墨烯凝胶低模量和高电容的优势，提升神经微电极阵列的信噪比、电荷存储能力和稳定性。该项目从电极-组织界面的角度，为设计高性能微电极阵列提供了新思路，有利于促进其在临床上的应用。

石墨烯独特的理化特性，有望推动下一代医疗技术发展。过去十多年，石墨烯在生物医学领域的探索非常广泛。深入理解石墨烯与生物细胞/组织间的界面相互作用，是石墨烯材料在生物医学领域应用的基础科学问题。项目负责人利用石墨烯优异的导电性和柔韧性，探索了石墨烯在柔性神经接口，特别是神经刺激与记录上的应用。1) 通过掩膜辅助流动组装法，制备出高分辨率石墨烯水凝胶微电极阵列，其电荷存储容量与电荷注入容量均显著高于传统基于金属铂的神经电极，植入小鼠坐骨神经组织后，在八周时间范围内，体现出生物相容性。在体超声成像表明，石墨烯水凝胶的粘弹性有效耗散外部应力对于神经组织的冲击，构建了低压力神经界面。石墨烯水凝胶制备的神经刺激电极，可用于低电压刺激大鼠迷走神经降低血压。2) 通过湿法纺丝与化学还原，制备出基于石墨烯水凝胶纤维、导电高分子纤维的柔性植入式电极。其中，石墨烯水凝胶纤维的具有高导电性和电容特性，与组织相近的柔软度，良好生物相容性，并且磁共振成像兼容，可提高神经信号检测的灵敏度。导电高分子纤维电极可用于记录小鼠海马体区域癫痫脑电信号时，信噪比比传统钨电极高3~5倍。3) 此外，项目发展了石墨烯膜用作耳膜穿孔的贴片，以恢复大鼠的听力。石墨烯膜在耳膜中显示出良好的生物相容性和稳定性，可促进鼓膜细胞的生长，几乎没有组织排斥和炎症反应。小鼠穿孔的耳膜愈合后，在1~32 kHz 频率范围内的听力得到修复，并维持至少 2 个月。项目发展了多种制备石墨烯神经电极的新技术，结合医学影像及分子生物学多维度表征了石墨烯与神经组织的界面，加深了对于石墨烯与神经组织之间电、力和生物相互作用的理解，为设计生物相容的可植入石墨烯神经电极及其在神经疾病上的临床诊疗提供了新思路。