Adv. Mater.：用于脑机接口的支链淀粉水凝胶探针

可植入神经探针在脑部数据采集、神经回路调控及脑疾病治疗领域具有广阔前景，但传统探针面临灵敏度与生物相容性难以兼顾、无法实现原位监测与调控等核心挑战。为此，本研究创新性地开发集神经信号记录、神经回路调节及中风治疗于一体的多功能水凝胶探针，通过将支链淀粉整合至水凝胶基质，诱导聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)链重构，形成与脑组织高度相容的界面，从而同步提升信号采集精度和生物适应性。该探针具备持续8周的深部脑信号记录能力，并能精准调控神经活动。在大鼠实验中，通过初级运动皮层的实时信号监测与调控，成功实现了对肢体行为的闭环控制。更值得注意的是，当中风模型大鼠接受该探针治疗后，脑梗死区域显著缩小，突触可塑性增强，运动功能与平衡能力得到有效恢复。这一突破性成果不仅为神经探针设计提供了全新思路，更为脑机接口、神经康复及脑疾病治疗方案的开发奠定了重要技术基础。

• 基于支链淀粉的双网络水凝胶：使用支链淀粉（Amylopectin） 作为关键组分，与聚丙烯酰胺形成双网络结构，并引入 PEDOT:PSS 作为导电添加剂。支链淀粉的多糖结构和丰富羟基使其能与脑组织通过氢键形成柔性共形界面，减少界面阻抗，提升信号传输效率。

• 功能集成：一体实现记录、调控、治疗三大功能。

• 长期稳定性：8周连续工作无性能衰减。

• 治疗潜力：为卒中等脑疾病提供非药物、无创、可调控的新型治疗策略。

  
  

图1. 水凝胶的结构、特性及其作为植入式探头的应用示意图。

图2. a) A_xAP的合成过程。b) 不同支链淀粉含量A_xAP的拉伸应力-应变曲线。c) 不同支链淀粉含量A_xAP的导电性（n=5）。d) 不同支链淀粉含量A_xAP与玻璃的最大粘附强度（n=5）。e) 不同支链淀粉含量的A_xAP透光率。f) A₁₁AP与其他已报道水凝胶在导电率和弹性模量方面的对比。g) A₁₁AP与其他已报道水凝胶在导电率和透明度方面的对比。h) A₁₁AP在100%应变下连续100次拉伸循环测试。i) A₁₁AP的G′与G″随频率变化曲线（0.1至100 rad s^-1）。j) A₁₁AP探针在不同扫描速率（10–500 mV s^-1）下的循环伏安曲线。

图3. a) A₁₁AP细胞毒性试验的荧光照片（阳性对照：RSC96细胞在0.1 mg mL⁻¹ SDS培养基中孵育24小时；阴性对照：RSC96细胞在高葡萄糖DMEM培养基中孵育24小时。绿色荧光：活细胞；红色荧光：死亡细胞）。b) 植入1个月后，对照组、A₀AP组和A₁₁AP组样本的H&E组织学结果。c) T细胞CD3及T细胞CD2的免疫荧光染色。红色荧光：死亡细胞）。b) 植入1个月后对照组、A₀AP组及A₁₁AP组样本的H&E组织学结果。c) 植入1个月后背部皮下组织中T细胞（CD3）、B细胞（CD20）及白细胞（CD45）的免疫荧光染色。d) CD3、CD20及CD45免疫荧光图像的荧光强度（n=5）。e) CD3、CD20及CD45免疫荧光图像的统计数量（n=5）。f) 脑切片免疫荧光显微图像：小胶质细胞（绿色）与星形胶质细胞（红色）。g) 小胶质细胞与星形胶质细胞在探针周围300×300 μm方格区域内的统计数量（深度范围：0–100、100–200、200–300 μm，n=5）。h) 这些探针在0–100、100–200和200–300 μm深度范围内，300×300 μm方形区域内小胶质细胞和星形胶质细胞的荧光强度（n=5）。

图4. a) 检测装置示意图。b) 植入A₁₁AP探针的大鼠图像。c) 植入大鼠脑内的A₁₁AP探针显微图像（使用DAPI作为核荧光染色剂）。d) 自由活动大鼠经A₁₁AP、Pt和A₀AP探针记录的局部场电位。e) A₁₁AP探针记录的尾部夹压刺激诱发LFP。f) A₁₁AP探针记录的胡须抚弄刺激诱发LFP。g) 持续8周监测中A₁₁AP、Pt及A₀AP探针记录的睡眠状态LFP。

图5. a) 转染4周后海马体中AAV（红色）的表达情况。b) 光遗传调控与局部场电位记录装置示意图。c) A₁₁AP光电极实物照片。d) 不同功率光刺激诱发的局部场电位。e) 不同频率光刺激诱发的局部场电位。f) A₁₁AP记录的右侧M1区域诱发局部场电位。g) A₁₁AP连续8周记录的诱发局部场电位。

图6. a) 卒中治疗神经调控的实验设计。b) 不同组脑切片代表性TTC染色图像。c) 不同组脑切片梗死体积定量分析（n=5）。d) 通过尼氏染色确定的M1区域神经元形态。e) M1区域NeuN免疫荧光代表性图像。f) M1区域PSD95免疫荧光代表性图像。g) M1区域IL-1β和IL-4免疫荧光代表性图像。h) M1区域BDNF阳性细胞表达情况。i) BDNF表达相对免疫组化评分（n=5）。j) 四组大鼠刺激期间爬行距离 (n=5)。k) 四组大鼠在刺激期间的爬行速率(n=5)。l) 圆筒测试：损伤肢触碰次数占对照肢总触碰次数的百分比(n=5)。m) 治疗组与自愈组大鼠体重变化(n=5)。

可植入神经探针作为脑机接口的核心组件，在神经信息采集、回路调控及脑疾病治疗中具有不可替代的作用，但传统探针始终面临灵敏度与生物相容性难以兼顾、原位监测与调控效率低下等关键瓶颈。本研究创新性地开发出以支链淀粉为关键功能单元的水凝胶探针（A11AP），其通过多重协同机制突破性能限制：一方面，支链淀粉诱导聚乙二醇化聚二乙烯吡咯烷酮（PEDOT）链发生有序重排，有效抑制链状聚集，使探针同时具备高透光率与优异导电性；另一方面，水凝胶网络通过大量氢键与脑组织形成柔性界面，显著提升电子传递效率并降低界面阻抗。这种独特设计不仅大幅减少免疫排斥反应，还能有效抑制神经瘢痕形成，为长期稳定的脑机交互奠定基础。在植入大鼠海马区的实验中，A11AP探针成功实现持续8周的高质量局部场电位监测，其记录的脑电信号振幅显著高于传统水凝胶和铂电极，且信号衰减率更低。更引人注目的是，该探针的透明特性使其能够结合光刺激技术，首次在活体环境中实现高时空分辨率的神经信息原位解码与精准调控。在脑卒中治疗模型中，这种神经调控策略展现出惊人疗效。通过靶向干预梗死区周围神经回路，不仅显著缩小病灶范围，还促进突触可塑性重建，最终恢复大鼠的运动协调能力。这一突破性成果不仅重新定义了神经探针的设计范式，更将脑机接口技术的应用边界拓展至神经疾病治疗与功能修复等前沿领域。

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