导读
可穿戴神经接口（WNIs）与人类神经系统的整合取得了重大进展，推动了医疗和技术融合的发展。水凝胶以其高含水量、低界面阻抗、导电性、粘附性和机械顺应性而著称，有效解决了传统材料中常见的刚性和生物相容性问题。本综述重点介绍了其在 WNIs 功能中不可或缺的重要参数 —— 生物相容性、界面阻抗、导电性和粘附性。详细讨论了水凝胶在可穿戴神经记录和神经刺激方面的应用。最后，总结并展望了水凝胶在 WNIs 应用中面临的机遇和挑战。本综述旨在全面审视水凝胶技术的现状，并鼓励持续的探索和创新。随着发展的推进，水凝胶有望革新可穿戴神经接口，在医疗保健和技术应用方面带来显著的提升。
图文摘要
01. 可穿戴神经接口中水凝胶的关键参数
图1.用于神经可穿戴接口水凝胶中的代表性（A）天然高分子材料和（B）合成高分子材料的化学结构。
图2. A. 水凝胶电极的示意图及等效电路模型；B. 倾斜和横截面扫描电子显微镜图像，展示了用于表皮电子系统的皮肤表面硅胶复制品（灰色）与不同厚度的弹性体薄膜基底（蓝色）之间的共形接触程度 ；C. 不同湿 / 干电极的界面阻抗以及粘附性 / 厚度。绿色圆圈代表湿电极，红色方块代表干电极 ；D. 用于制备大面积超薄水凝胶薄膜的冷压层法示意图 。
图3. A. 导电水凝胶与可拉伸装置以及皮肤界面之间可靠且整体的粘附性；B. 羟丙基纤维素（HPC）/ 聚乙烯醇（PVA）离子导电水凝胶（浸泡在 5M 氯化钠溶液中）形成的示意图，其中钠离子和氯离子通过离子 - 偶极相互作用被 HPC 纤维吸引，且 HPC/PVA 离子导电水凝胶中的孔隙得以保留。显微镜图像的比例尺为 100 微米；C. 代表性导电聚合物的化学结构以及（D）其他代表性金属和非金属导电成分的化学结构；E. 微图案化的聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）水凝胶电路在水合状态下点亮三个用于神经记录的发光二极管；F. 电子 - 离子导电水凝胶的双重功能对于处理生物数据以及与电子系统相连接的装置而言至关重要。
图4.A. 水凝胶、可穿戴神经装置与皮肤之间粘附的示意图，B. 可裂解物理交联的解交联过程示意图，C. 受章鱼吸盘漏斗状和周边边缘启发而制成的人造微吸盘（直径 100 微米，高度 75 微米）的扫描电子显微镜图像及横截面光学图像，D. 受喉盘鱼启发的粘附设计具有便于快速与基底接触的凹槽，六边形凝胶面上的动态键在拉伸过程中耗散能量，且独立的面可防止裂纹扩展，确保可逆粘附，E. 通过席夫碱反应和迈克尔加成反应使皮肤界面的胺基和巯基结合的示意图，F. 双面胶带的羧基与组织表面形成临时交联，而 N - 羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯基与组织上的伯胺共价键合。
02. 水凝胶在可穿戴神经接口中的应用
图5. A. 双层水凝胶具有用于生物电信号采集的导电层、粘附层、支撑结构以及银 / 氯化银组件；B. AgPHMS 半干电极结构示意图；C. 含聚多巴胺纳米粒子（PDA NPs）的聚乙烯醇 - 聚乙烯吡咯烷酮（PVA - PVP）水凝胶的制备过程；D. 基于聚乙烯醇 - 聚乙烯吡咯烷酮 - 聚多巴胺纳米粒子（PVA - PVP - PDA NP）水凝胶的多通道电极示意图及照片；E. 自制耳脑电图电极耳塞（右侧）与商用耳机耳塞（左侧）对比图以及无线耳脑电图系统佩戴示意图；F. POLiTAG 电极矩阵示意图。
图6. A. 用于脑电图（EEG）监测的 AHBH 生物传感器系统示意图；B. 一名受试者在脑电图监测期间观看电影片段以诱发情绪，示意图展示了头模上的 Fp2 位点、两个工作电极以及一个参考电极 ；C. AIRTrode 矩阵示意图；D. 来自其中一名参与者的一组具有代表性的睡眠图，展示了利用 AIRTrode 和商用脑电图凝胶记录的数据进行的睡眠阶段分类；E. 用于毛发头皮脑电图的可涂抹生物凝胶示意图；F. 光学图像展示了生物凝胶的涂抹及易于移除的情况，确保了良好的接触。
图7. A. 经颅电刺激（TES）通过电极将微弱电流施加于头部，持续 5 至 30 分钟，通过直流电（tDCS）、随机噪声（tRNS）或交流电（tACS）刺激来调节神经元活动；B. 经皮神经电刺激（TENS）应用于神经皮节或肌肉疼痛区域；C. 非植入式商用迷走神经刺激（VNS）系统：（a）尼莫斯（NEMOS，顶部）和（b）伽马核心（gammaCore，底部）；D. 钙改性丝贴片在水合前后的概念示意图及其在脑刺激装置中的应用（比例尺：8 毫米）。
本文亮点
水凝胶的生物相容性、界面阻抗与导电性以及粘附性对于其在可穿戴神经接口中的功能发挥起着关键作用。
水凝胶能够有效满足可穿戴神经记录以及神经刺激应用方面的各项要求。
本综述探讨了在可穿戴神经接口中使用水凝胶所面临的机遇与挑战。
作者：赵月棠
审核：方 俊
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00040-4
引用格式
Yao, M., Hsieh, JC., Tang, K.W.K. et al. Hydrogels in wearable neural interfaces. Med-X 2, 23 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00040-4
作者简介
姚蒙蒙，德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）生物医学工程系博士后研究员。于2022年获得天津大学化学工程与技术专业博士学位。他的研究重点是开发用于可穿戴神经系统的先进水凝胶材料，提升神经接口设备的功能，实现长期可靠的神经活动监测和调控。
谢濡骏，德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系博士研究生。他的研究重点是开发和设计可穿戴生物电子设备，尤其专注于脑电图设备在脑机接口、中风检测及睡眠监测等领域的广泛应用。
王辉亮，德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系助理教授，牛津大学材料科学学士，斯坦福大学材料科学与工程博士（师从鲍哲南教授）。博士毕业后，王博士在斯坦福大学生物工程学院与卡尔·戴瑟罗（Karl Deisseroth）教授完成博士后研究。曾获美国国家科学基金会早期职业生涯发展奖（NSF CAREER Award), 美国国立卫生研究院最大化研究者研究奖（NIH R35 MIRA award) ，麻省理工学院《技术评论》中国区35位35岁以下创新者等多项荣誉。他的研究重点是开发用于神经界面的可穿戴生物电子设备和纳米材料，推动神经科学研究及临床治疗。
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