共轭高分子引领脑机接口新趋势
共轭高分子引领脑机接口新趋势
近年来，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术在神经科学研究、医疗康复和虚拟现实等领域展现出巨大潜力。然而，传统的刚性电子元件与柔软的脑组织之间存在机械和化学不匹配的问题，导致排异反应和信号传递衰减。为了解决这一挑战，研究人员将目光投向了共轭高分子这一新型材料，其在柔性脑机接口领域展现出独特的优势。
共轭高分子：柔性脑机接口的理想选择
共轭高分子是一类具有交替单双键结构的高分子材料，其独特的化学结构赋予了它一系列优异的特性。首先，共轭高分子具有良好的柔性，能够与柔软的脑组织实现更好的力学匹配。其次，它具有优异的生物相容性，能够减少植入后的免疫排斥反应。更重要的是，共轭高分子还具备出色的光电特性，能够实现高效的信号采集和传输。
在脑机接口应用中，共轭高分子主要通过两种方式发挥作用：作为导电电极材料和构建有机电化学晶体管（OECT）器件。导电共轭高分子电极能够实现高灵敏度的脑电信号采集，而基于半导体共轭高分子的OECT器件则在信号放大和提高信噪比方面展现出独特优势。
有机电化学晶体管：神经信号监测的革新
有机电化学晶体管（OECT）是一种新型的离子-电子混合传输晶体管技术，最早由美国华盛顿大学的Wrighton等人于20世纪80年代提出。与传统的有机场效应晶体管（OFET）不同，OECT采用含有可迁移离子的电解液替代了OFET中的电介质层，并利用可同时传输离子和载流子的聚合物半导体材料作为沟道层。这种独特的结构使得OECT具有高跨导、低工作电压、快速响应速度和高灵敏度等特点。
在生物电子学领域，OECT技术展现出巨大的应用潜力。它能够将微弱的离子和生物信号放大并转换为电学信号输出，非常适合用于生物体微弱生理信号（如心电、脑电、肌电等）的收集与放大。此外，OECT器件中的液态电解液可适配各种化学离子和生物分子，通过特异性修饰栅极或沟道层表面，能够实现对生物体常见代谢物和生物标记物的特异性检测和实时监测。
水凝胶材料：实现长期稳定监测的关键
尽管共轭高分子和OECT技术在信号采集和传输方面取得了显著进展，但要实现长期稳定的脑机接口，还需要解决与脑组织的力学和生物学性能不匹配的问题。为了解决这一挑战，研究人员开始关注水凝胶材料的应用。
最近，西南交通大学的鲁雄教授、谢超鸣副教授团队与多家机构合作，在Matter期刊上发表了一项重要研究成果。他们通过在柔性水凝胶网络中引入双键化多巴胺限域聚合的导电高分子纳米颗粒，成功制备了一种具有组织粘附性及超软力学性能的导电水凝胶，并将其与微尺度电极集成，构建了一种新型的脑机接口。
这种水凝胶基脑机接口具有以下显著优势：
- 超软力学性能：通过调控导电高分子纳米颗粒的含量，水凝胶的模量可以达到与脑组织相似的水平（小于1 kPa）。
- 组织粘附性：水凝胶能够紧密贴合脑组织表面，实现无缝连接，减少摩擦导致的免疫排斥反应。
- 免疫逃逸能力：水凝胶中的儿茶酚官能团具有优异的抗炎能力，能够降低神经炎症，抑制纤维组织增生，避免形成纤维囊。
实验结果表明，这种新型水凝胶基脑机接口不仅能够准确记录颅内皮层脑电信号（ECoG），还可以作为可穿戴式电极采集头皮脑电信号（EEG）。更重要的是，它具有良好的生物相容性，不会对脑组织造成损伤，且在使用后可以无损取出，有望在临床领域实现长期监测应用。
未来展望
尽管共轭高分子在脑机接口领域展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战。未来的研究方向应聚焦于以下几个方面：
- 高性能材料开发：继续优化共轭高分子的化学结构，开发具有更高电导率和稳定性的新型材料。
- 器件结构优化：设计更合理的器件结构，提高信号采集的精度和稳定性。
- 系统级集成：实现从材料到器件再到系统的全方位集成，推动脑机接口技术向更高密度、更高时空分辨率和更稳定的方向发展。
随着这些挑战的逐步解决，共轭高分子有望在脑机接口领域发挥越来越重要的作用，为神经科学研究和医疗康复带来新的突破。