可植入神经接口的挑战与机遇:从材料、电化学和生物学角度探讨

Challenges and Opportunities of Implantable Neural Interfaces: From Material, Electrochemical and Biological Perspectives

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DOI 10.1002/adfm.202301223
刊名
年,卷(期) 2023, 33(32)
作者
作者单位 "1 深圳大学;
2 桂林电子科技大学;
3 中国科学院深圳先进技术研究院"

摘要
理想的植入式神经接口可以准确记录来自神经元的生物电信号,并以高空间/时间分辨率调节神经活动,促进对神经元功能和动力学的理解。然而,电化学性能(阻抗、电荷存储/注入能力)随着神经电极的小型化和集成化而受到限制。电场分布不均匀引起的“串扰”导致电刺激/记录效率降低。僵硬的电极和软组织之间的不匹配加剧了炎症反应,从而削弱了信号的传输。尽管通过优化电极设计和功能化纳米材料的结合取得了显着的突破,但长期稳定性,而神经电极在体内的长期活性仍需进一步开发。本文主要讨论了电化学和生物学方面的神经接口挑战,基于传统金属材料、新兴二维材料、导电聚合物水凝胶等,总结了典型的电极优化技术并探索了纳米材料应用的最新进展,用于增强神经接口。还总结了提高耐久性的策略,包括增强粘附力和最小化炎症反应。最后提出了一些有前景的方向,为未来高性能神经接口提供启示,从而推动神经科学研究的深刻进展。讨论了主要在电化学和生物学方面的神经接口挑战,总结了典型的电极优化技术,并基于传统金属材料、新兴二维材料、导电聚合物水凝胶等探索了纳米材料应用的最新进展,以增强神经接口。还总结了提高耐久性的策略,包括增强粘附力和最小化炎症反应。最后提出了一些有前景的方向,为未来高性能神经接口提供启示,从而推动神经科学研究的深刻进展。讨论了主要在电化学和生物学方面的神经接口挑战,总结了典型的电极优化技术,并基于传统金属材料、新兴二维材料、导电聚合物水凝胶等探索了纳米材料应用的最新进展,以增强神经接口。还总结了提高耐久性的策略,包括增强粘附力和最小化炎症反应。最后提出了一些有前景的方向,为未来高性能神经接口提供启示,从而推动神经科学研究的深刻进展。其次总结了典型的电极优化技术,并基于传统金属材料、新兴二维材料、导电聚合物水凝胶等探索了纳米材料应用的最新进展,以增强神经界面。还总结了提高耐久性的策略,包括增强粘附力和最小化炎症反应。最后提出了一些有前景的方向,为未来高性能神经接口提供启示,从而推动神经科学研究的深刻进展。其次总结了典型的电极优化技术,并基于传统金属材料、新兴二维材料、导电聚合物水凝胶等探索了纳米材料应用的最新进展,以增强神经界面。还总结了提高耐久性的策略,包括增强粘附力和最小化炎症反应。最后提出了一些有前景的方向,为未来高性能神经接口提供启示,从而推动神经科学研究的深刻进展。
Abstract
The desirable implantable neural interfaces can accurately record bioelectrical signals from neurons and regulate neural activities with high spatial/time resolution, facilitating the understanding of neuronal functions and dynamics. However, the electrochemical performance (impedance, charge storage/injection capacity) is limited with the miniaturization and integration of neural electrodes. The “crosstalk” caused by the uneven distribution of elctric field leads to lower electrical stimulation/recording efficiency. The mismatch between stiff electrodes and soft tissues exacerbates the inflammatory responses, thus weakening the transmission of signals. Though remarkable breakthroughs have been made through the incorporation of optimizing electrode design and functionalized nanomaterials, the chronic stability, and long-term activity in vivo of the neural electrodes still need further development. In this review, the neural interface challenges mainly on electrochemistry and biology are discussed, followed by summarizing typical electrode optimization technologies and exploring recent advances in the application of nanomaterials, based on traditional metallic materials, emerging 2D materials, conducting polymer hydrogels, etc., for enhancing neural interfaces. The strategies for improving the durability including enhanced adhesion and minimized inflammatory response, are also summarized. The promising directions are finally presented to provide enlightenment for high-performance neural interfaces in future, which will promote profound progress in neuroscience research.
关键词
生物电子学,耐用性,可植入神经接口,纳米材料,神经微电极,电化学
KeyWord
"bioelectronics, durability, implantable neural interfaces, nanomaterials, neural microelectrodes, electrochemical"
基金项目
页码 2301223-
  • 参考文献
  • 相关文献
  • 引用本文

曾齐,*,黄兆岭,*. 可植入神经接口的挑战与机遇:从材料、电化学和生物学角度探讨 [J]. Advanced Functional Materials. 2023; 33; (32). 2301223 - .

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