Appearance
Implantable hydrogels as pioneering materials for next-generation brain-computer interfaces.
文献信息
| DOI | 10.1039/d4cs01074d |
|---|---|
| PMID | 40035554 |
| 期刊 | Chemical Society reviews |
| 影响因子 | 39.0 |
| JCR 分区 | Q1 |
| 发表年份 | 2025 |
| 被引次数 | 3 |
| 关键词 | 植入性水凝胶, 脑机接口, 神经信号记录, 神经调制 |
| 文献类型 | Journal Article, Review |
| ISSN | 0306-0012 |
| 页码 | 2832-2880 |
| 期号 | 54(6) |
| 作者 | Wasid Ullah Khan, Zhenzhen Shen, Samuel M Mugo, Hongda Wang, Qiang Zhang |
一句话小结
脑-计算机接口（BCIs）作为一种新兴技术，能够直接连接大脑与外部设备，为脑部疾病的诊断和治疗带来变革，但传统的植入电极存在排斥和信号衰减等问题。本文综述了水凝胶作为植入式神经电极的优势，强调其在生物相容性和电化学特性方面的独特属性，展示了其在神经信号记录和调控中的巨大潜力，有助于推动该领域的未来发展。
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摘要
脑-计算机接口（BCIs）的使用正迅速成为诊断和治疗各种脑部疾病的变革性方法。通过促进大脑与外部设备之间的直接通信，BCIs有潜力彻底改变神经活动监测、针对性的神经调控策略以及脑功能的恢复。然而，BCI技术在实现长期、稳定、高质量记录及准确调节神经活动方面面临重大挑战。传统的植入电极主要由金属、硅和碳等刚性材料制成，虽然具有优良的导电性，但在外来物体排斥、神经信号衰减和与脑组织的微运动等方面遇到了严重问题。为了解决这些局限性，水凝胶作为BCIs的有前景候选材料逐渐受到关注，因为它们在机械和化学性质上与脑组织相似。这些水凝胶特别适合用作植入式神经电极，因其具有三维水丰富的结构、柔软的弹性特性、生物相容性以及增强的电化学特性。这些卓越的特性使其成为信号记录、神经调控以及神经疾病有效治疗的理想选择。本文综述了植入式水凝胶电极的最新进展，重点介绍了其在神经信号记录和神经调控技术中的独特属性，最终旨在治疗脑部疾病。本文提供了全面的概述，以促进该领域的未来发展。植入式水凝胶电极在BCIs中具有巨大的潜力，可以影响更广泛的科学领域并推动各个行业的创新。
英文摘要
Use of brain-computer interfaces (BCIs) is rapidly becoming a transformative approach for diagnosing and treating various brain disorders. By facilitating direct communication between the brain and external devices, BCIs have the potential to revolutionize neural activity monitoring, targeted neuromodulation strategies, and the restoration of brain functions. However, BCI technology faces significant challenges in achieving long-term, stable, high-quality recordings and accurately modulating neural activity. Traditional implantable electrodes, primarily made from rigid materials like metal, silicon, and carbon, provide excellent conductivity but encounter serious issues such as foreign body rejection, neural signal attenuation, and micromotion with brain tissue. To address these limitations, hydrogels are emerging as promising candidates for BCIs, given their mechanical and chemical similarities to brain tissues. These hydrogels are particularly suitable for implantable neural electrodes due to their three-dimensional water-rich structures, soft elastomeric properties, biocompatibility, and enhanced electrochemical characteristics. These exceptional features make them ideal for signal recording, neural modulation, and effective therapies for neurological conditions. This review highlights the current advancements in implantable hydrogel electrodes, focusing on their unique properties for neural signal recording and neuromodulation technologies, with the ultimate aim of treating brain disorders. A comprehensive overview is provided to encourage future progress in this field. Implantable hydrogel electrodes for BCIs have enormous potential to influence the broader scientific landscape and drive groundbreaking innovations across various sectors.
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主要研究问题
- 在不同类型的脑部疾病中，植入性水凝胶电极的应用前景如何？
- 如何评估水凝胶材料在神经信号记录和调制中的长期稳定性？
- 与传统金属和硅材料相比，水凝胶在生物相容性方面有哪些具体优势？
- 水凝胶电极在神经治疗中的实际应用案例有哪些，效果如何？
- 在开发新型水凝胶材料时，哪些化学和物理特性最为关键？
核心洞察
研究背景和目的
脑-机接口（BCI）技术正在迅速成为诊断和治疗各种脑部疾病的变革性方法。通过促进大脑与外部设备之间的直接通信，BCI有潜力彻底改变神经活动监测、靶向神经调制策略和脑功能恢复。然而，BCI技术在实现长期、稳定、高质量的记录和准确调节神经活动方面面临重大挑战。本文旨在探讨水凝胶在BCI中的应用，强调其在植入式神经电极中的优势，以期推动脑部疾病的治疗。
主要方法/材料/实验设计
本文采用文献综述的方式，系统评估了水凝胶作为植入式神经电极的潜力。主要方法包括：
- 材料特性分析：对比传统植入式电极（如金属、硅和碳）与水凝胶的机械和化学特性。
- 性能评估：探讨水凝胶的生物相容性、三维水丰富结构、柔软弹性特性及其增强的电化学特性。
- 应用场景：分析水凝胶在神经信号记录和神经调制中的应用潜力。
以下是技术路线的流程图：
关键结果和发现
- 水凝胶电极在生物相容性和机械特性方面优于传统电极，能够有效减少外来物体排斥和神经信号衰减。
- 水凝胶的三维结构和柔软特性使其能够与脑组织更好地匹配，降低微运动对信号质量的影响。
- 水凝胶电极在神经信号记录和调制中表现出良好的电化学特性，为治疗神经疾病提供了新的可能性。
主要结论/意义/创新性
水凝胶作为植入式神经电极在BCI技术中展现出巨大的潜力。其独特的物理和化学特性使其成为记录神经信号和调制神经活动的理想选择。这一创新为脑部疾病的治疗提供了新的思路，并可能在更广泛的科学领域产生深远影响。
研究局限性和未来方向
- 局限性：当前研究主要集中在水凝胶的基本特性和初步应用，缺乏大规模临床试验数据。
- 未来方向：需要进一步研究水凝胶在长期植入中的稳定性和效果，探索其在不同脑部疾病中的应用潜力。同时，结合先进的材料科学技术，开发新型水凝胶以提升其性能。
| 部分 | 内容 |
|---|---|
| 研究背景和目的 | 探讨BCI技术与水凝胶的结合，推动脑部疾病治疗 |
| 主要方法 | 文献综述、材料特性分析、性能评估、应用场景分析 |
| 关键结果 | 水凝胶优于传统电极，适合神经信号记录与调制 |
| 主要结论 | 水凝胶电极具有巨大潜力，可能影响科学领域的发展 |
| 研究局限性 | 缺乏临床试验数据 |
| 未来方向 | 研究长期稳定性，开发新型水凝胶 |
引用本文的文献
- Recent Progress of Biomaterial-Based Hydrogels for Wearable and Implantable Bioelectronics. - Baojin Chen;Yan Zhu;Renjie Yu;Yunxiang Feng;Zhenpeng Han;Chang Liu;Pengcheng Zhu;Lijun Lu;Yanchao Mao - Gels (Basel, Switzerland) (2025)
- Design, Synthesis, and Morphological Behavior of Polymer Gel-Based Materials for Thermoelectric Devices: Recent Progress and Perspectives. - Md Mahamudul Hasan Rumon;Mohammad Mizanur Rahman Khan;Md Khairul Amin - Gels (Basel, Switzerland) (2025)
- A Review on Low-Dimensional Nanoarchitectonics for Neurochemical Sensing and Modulation in Responsive Neurological Outcomes. - Mohammad Tabish;Iram Malik;Ali Akhtar;Mohd Afzal - Biomolecules (2025)
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