《AM》北理沈国震/李腊，湖南工大许建雄：可植入水凝胶内的无线超级电容器激活神经元系统实现双向调控

第一作者：Xiangyu Sheng，Zhijian Du

通讯作者：Jianxiong Xu，La Li，Guozhen Shen

通讯单位：北京理工大学，湖南工业大学

DOI: 10.1002/adma.202504558

背景介绍

脑神经双向调控技术通过兴奋或抑制神经元活动，在治疗运动神经障碍、情绪失调及认知缺陷等领域具有重要价值。当前主流技术如经颅直流电刺激（t-DCS）和深部脑电脉冲刺激（DBS）依赖金属探针植入，存在安全性低、单向调节、空间分辨率不足及长期植入并发症等问题。近年来，基于内源电场（EEF）的离子扩散效应因其低频、弱刺激和生物相容性优势成为新型神经调控策略，但其能量供给模块仍面临储能效率低和双向调节机制匮乏的挑战。超级电容器凭借对称电极结构和高安全性电荷存储特性，为双向神经调控提供了潜在解决方案，然而传统器件在体内应用中存在界面阻抗高、无线传输效率不足以及生物适应性差等瓶颈。针对上述问题，本研究提出了一种水凝胶一体化的植入式无线超级电容器激活神经元系统（W-SCAN），旨在通过材料创新与集成设计实现安全、高效的双向神经电干预。

本文亮点

1. 水凝胶封装超级电容器的创新设计

提出基于PVDF-TrFE与石墨烯复合电极的柔性超级电容器，通过水凝胶原位自由基加成策略实现电极表面极性基团的高效修饰。该设计显著提升电极-电解质界面离子吸附能力，电容值较未封装器件提高约90倍，同时水凝胶作为电解质和生物封装层，解决了传统金属电极的机械刚度与组织兼容性矛盾。

2. 高效无线能量传输与长期稳定性

开发具有圆角优化的矩形铜线圈结构，结合二极管桥电路实现75%的无线传输效率（WTE），植入皮下后仍保持50% WTE输出。器件在活体兔7天植入实验中电压保留率达96.7%，循环充放电5000次后容量保持80.88%，其力学稳定性（<3%电阻变化率）满足生物组织动态形变需求。

3. 生物相容性与神经调控功能验证

水凝胶封装系统通过细胞毒性实验显示304.9%的HUVECs增殖率，组织病理学分析证实无炎症或组织损伤。植入兔脑丘脑、杏仁核及前额叶后，通过外部线圈诱导的离子振荡电流（≈30 nA, 50 Hz）实现δ波同步化与去同步化的双向调节，证实其对帕金森病震颤抑制（δ波增强）和抑郁改善（δ波衰减）的潜在临床价值。

4. 内源电场驱动的低风险调控机制

基于超级电容器对称电极特性，通过外部交变电场切换实现离子扩散方向调控，避免了传统直流电刺激的热损伤风险。电生理实验表明，低频率（<100 Hz）振荡电流可精准调节神经元膜电位，为开发非侵入式、自适应神经调控系统提供了新范式。

图文解析

图1. 无线超级电容激活神经调制系统（W-SCAN）的系统结构。(a) W-SCAN作为皮下植入的无线输电装置示意图。 (b) W-SCAN应用场景示意图。 (c) W-SCAN作为无线输电系统的逻辑结构。 (d) 同弯曲角度下W-SCAN的FEA力学场模拟和光学照片。

图2. W-SCAN中超级电容模块的工艺开发。(a) 采用激光直写技术制备器件的过程。 (b) 使用激光直写技术显示设备的光学照片。 (c) 用台阶仪测得超级电容模块的通道显微图和电极厚度。 (d) 用四探针法测定了水凝胶封装前后碳膜的电导率。 (e) 使用直接油墨印刷技术制备器件的过程。 (f) 使用直接油墨打印技术的显示设备的光学照片。 (g) 石墨烯基油墨的粘度-剪切速率曲线。 (h) 水凝胶封装后碳膜在不同应力作用下的电导率变化。

图3. 探索基于水凝胶聚合工艺的功能化电极的卓越电化学特性。(a) 水凝胶封装前后的电极中离子吸附示意图。 (b) 循环伏安法测定了水凝胶封装前后的四种碳膜的电容。 (c) 电极表面发生的电化学储能示意图及基于EIS测试的等效电路图。 (d) 化学工程反应前后膜的水接触角。 (e) FT-IR光谱。（f）XPS光谱。 (g) 表面电位。

图4. W-SCAN的无线功率传输行为。(a) 基于发射线圈和接收线圈的无线传输原理图。 (b) 接收线圈在一系列转角、转角半径和导线直径下的接收电压。 (c) W-SCAN在发射线圈与接收线圈之间不同垂直距离、不同交角、不同偏置距离下的接收电压。 (d) 通过发射和接收线圈实现LED照明的光学显示。 (e) W-SCAN在连续充放电过程中输出的电压时间曲线。 (f) W-SCAN 7 天的细胞毒性测试和免疫荧光图像。 (g) W-SCAN植入1周后脑部及背部内部组织的H&E图像。

图5. W-SCAN作为颅内靶向离子电刺激介质的应用。（a）受刺激颅内神经兴奋性变化示意图。（b）基于探针和脑组织的离子极化效应示意图。（c）刺激目标在脑内的定位图。（d）W-SCAN 植入脑表皮的 CT 图像。（e）I. 接触脑组织的刺激电流-时间曲线；II. 接触脑组织的低频振荡电压-时间曲线。（f）丘脑在电刺激前后的功率谱。（g）丘脑在刺激前后的频率谱。（h）丘脑、杏仁体和前额叶在刺激前后的频谱变化百分比。（i）在施加电场时脑电信号的变化。

来源：柔性传感及器件