"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种水凝胶脑机接口设别：因其高含水量、柔软性及优异的导电性能，正在推动可穿戴神经接口技术的发展。作为一种关键材料，水凝胶在生物相容性、界面阻抗、导电性和粘附性方面展现出独特优势，不仅能提升神经信号的采集质量，还能显著改善设备与皮肤的机械匹配性。其在脑电图（EEG）记录、经颅电刺激（TES）及聚焦超声（FUS）等应用中均表现出色，尤其在深度神经刺激与高信号精度采集中发挥了关键作用。同时，通过集成传感器和开发条件响应型水凝胶，未来可实现更个性化、智能化的可穿戴神经设备设计。综上所述，水凝胶技术在推动神经接口从实验室走向临床的过程中扮演着不可或缺的角色，未来在医疗和消费电子领域有望获得更广泛的应用。 |
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近年来，随着生物医学工程领域的快速发展，神经接口技术已成为连接人类神经系统与外部设备的重要桥梁。可穿戴神经接口（Wearable Neural Interfaces，简称WNI）作为其中的重要分支，因其非侵入性和实时互动特性，展示出巨大的潜力。然而，传统材料在皮肤生物相容性、机械匹配性及信号传输效率等方面存在显著局限。水凝胶凭借其高含水量、柔软性、低界面阻抗及优异的导电性能，在解决这些问题中扮演了关键角色。
水凝胶的关键特性
水凝胶的成功应用依赖于其独特的物理和化学性质，主要包括以下四个方面：
生物相容性：水凝胶通过其亲水性和高分子网络，与生物组织实现无缝整合，减少皮肤刺激和过敏反应。天然聚合物如海藻酸盐、壳聚糖和蛋白质衍生物，以及合成聚合物如聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酰胺（PAM）均可通过调整化学交联和表面修饰进一步优化相容性。
2. 界面阻抗：水凝胶电极的阻抗直接影响神经信号的采集质量。通过优化水凝胶的厚度、表面粗糙度及导电添加剂，可显著降低阻抗并提高信号噪声比。
3. 导电性：水凝胶的导电性主要依赖于离子传导和电子传导两种机制。高含水量的网络结构促进离子迁移，而通过加入金属纳米颗粒或导电聚合物如PEDOT:PSS，则可增强电子传导能力。
4. 粘附性：水凝胶的粘附性决定了其在皮肤和设备界面的稳定性。通过引入羟基、羧基和氨基等官能团，以及仿生设计（如章鱼吸盘和壁虎黏附机制），可显著提高粘附性能。
水凝胶在神经接口中的应用
神经记录水凝胶在脑电图（EEG）记录中的应用已成为研究热点。相比传统的湿电极和干电极，基于水凝胶的半干电极在降低皮肤阻抗和提高信号稳定性方面表现出显著优势。例如，双层水凝胶电极和银纳米线/三胺海绵电极的开发，实现了长期低阻抗和高信号采集精度。
1. 神经刺激：水凝胶在经颅电刺激（TES）、经皮神经电刺激（TENS）及迷走神经刺激（VNS）中的作用日益受到关注。水凝胶电极因其柔软性和导电性，能够有效传递刺激信号，提高治疗效果。例如，用于TES的水凝胶电极可精确刺激目标神经区域，同时避免手术相关风险。
2. 超声神经刺激：水凝胶作为声学耦合介质在聚焦超声（FUS）中的应用，显著提高了超声波能量传输效率。新型生物粘附水凝胶克服了传统耦合剂长期使用中的稳定性问题，展示了在深度神经刺激中的潜力。
毛发覆盖区域的电极设计：开发具有条件响应性的水凝胶，可在人体温度下增强粘附性，并在低温下易于移除，减少使用不适感。
长期佩戴的稳定性：通过引入超吸水性聚合物和双层结构，提升水凝胶的耐久性和防脱水性能。
与电子元件的集成：水凝胶与电子元件的整合将推动可穿戴设备的个性化和智能化。例如，集成传感器的水凝胶可以实时监测生理参数，为神经疾病的早期诊断和干预提供新手段。
结论
水凝胶因其独特的性能，正在革新可穿戴神经接口的设计与功能。本综述总结了水凝胶在神经记录、神经刺激及声学耦合中的应用，同时提出了未来研究方向。随着技术的不断进步，水凝胶有望在医疗和消费电子领域实现更广泛的应用。
参考文献
Yao, Mengmeng, Ju-Chun Hsieh, Kai Wing Kevin Tang, and Huiliang Wang. "Hydrogels in wearable neural interfaces." Med-X 2, no. 1 (2024): 1-22.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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