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  近日，國際綜合性權威期刊《PNAS》上刊發華中科技大學吳豪、尹周平教授、新加坡國立大學吳昌盛教授等在柔性電子醫工交叉領域的新成果，題為“A soft electrode array with reconfigurable hydrogel interfaces for high-fidelity neurophysiological monitoring during craniotomy”(可重構水凝膠電極陣列用于開顱手術術中高保真神經電生理監測)，華中科技大學博士生楊淦光、龐博，碩士生龔航宇為論文共同第一作者，吳豪教授、吳昌盛教授、尹周平教授為共同通訊作者。

  在神經外科領域，開顱手術是治療腦腫瘤、創傷性腦損傷等神經系統疾病的關鍵途徑，術中大腦皮層電生理活動的精準監測在避免術中神經功能缺損、實現病灶部位精準切除中具有重要意義。盡管目前已經開發了多種商用顱內電生理監測技術，但仍存在如模量大、成本高以及采集信號質量較低等缺陷。近年來，柔性電子器件憑借優異的可拉伸性、力學適應性與生物相容性等特性，在顱內神經電生理監測領域展現出廣闊的應用前景。然而，當前開顱手術術中神經生理監測面臨著多重核心技術挑戰：（1）顱腦表面濕潤光滑，導致器件難以與顱腦界面實現緊密黏附，嚴重阻礙信號穩定采集；（2）大腦組織具有復雜輪廓、超低模量且質地脆弱的特點，與現有監測器件存在嚴重力學失配問題，無法實現共形耦合；（3）開顱手術耗時長，電極器件長期暴露于顱內極端環境，且為配合手術操作需反復定位，極易造成器件性能急劇衰減，大幅降低信號質量，難以實現可持續高質量神經信號監測。

  為解決上述技術挑戰，研究團隊開發了可重構水凝膠電極陣列，實現開顱手術期間可持續、高保真神經電生理信號監測。本研究提出溶液觸發水凝膠界面層重構策略，當開顱手術測試期間水凝膠傳感界面層性能衰減時，通過溶液觸發界面層拆卸更換，進而構建可持續穩定耦合的器件/顱腦界面。此外，由于柔性電極陣列具有優異的濕黏附與抗溶脹性能，能夠與濕潤的腦組織形成牢固黏附，大幅提升電極的刺激與采集性能。該電極陣列可通過水凝膠界面層重構，實現體感誘發電位（SSEP）信號的高質量穩定監測，可有效緩解手術操作過程中運動偽影干擾，同時避免因電極反復定位引發的性能衰減問題。在動物創傷性腦損傷（TBl）模型中，該電極陣列能夠精準捕捉體感誘發電位信號的波幅衰減特征，實現腦損傷區域的快速定位。在神經阻滯實驗中，與商用電極相比，該電極陣列在水凝膠界面重構前后，均能以更低的刺激電流誘發出更高質量的運動誘發電位（MEP），實現神經阻滯過程及神經功能恢復過程的精準監測。相較于現有監測技術，該電極陣列在開顱手術中腦功能狀態的精準評估與手術安全性提升方面具有明顯優勢，在神經外科手術監測領域展現出廣闊的應用前景。

圖1.可重構水凝膠電極陣列設計。(A)兔模型顱內神經電生理監測示意圖。放大圖展示了貼合于腦表面的柔性電極陣列。(B)電極陣列的分層結構爆炸圖。(C)電極陣列中MADH的重構過程。(D)通過電極陣列進行SSEP記錄與MEP誘發。(E)在正常、TBI及神經阻滯等不同狀態下的神經電生理狀態評估。(F)水凝膠電極/腦組織界面示意圖。(G)AMSH/MADH界面的重構機制。(H)水凝膠/腦組織界面的粘附/抗溶脹機制。(I)術中監測的工作流程示意圖，包括誘發電位采集、分析與診斷。(J)電極陣列上MADH/AMSH界面分別由Fe³⁺/檸檬酸溶液和EDTA溶液觸發的牢固鍵合(i)與溫和分離(ii)。(K)柔性電極陣列貼合于兔腦的照片。插圖示電極通道與運動皮層區域的緊密耦合。

圖2.溶液觸發的水凝膠界面重構機制。(A)水凝膠電極的重構流程，包括Fe3?/檸檬酸溶液的擴散(i)，網絡形成(ii)，EDTA溶液誘導的螯合作用(iii)，拆卸MADH并清潔以集成新的MADH層(iv)。(B)PAA、PAA/Fe³⁺和PAA/Fe³⁺(經EDTA處理)的粘度/剪切應力-剪切速率曲線。(C)經不同濃度EDTA溶液處理的MADH的結合強度曲線。EDTA處理時間為2小時。(D)經EDTA溶液(0.1 g/ml)處理不同時間后的界面結合強度。(E)電極中MADH的鍵合/拆卸循環及對應的SEM橫截面圖像。(F)重構循環中MADH/AMSH界面的鍵合強度。

圖3.MADH界面的機械性能與生物相容性表征。(A)PMATAC微球的合成及SEM圖像。(B和C)MADH粘附于不同腦組織時的照片(B)和粘附強度曲線(C)。(D)不含/含PMATAC微球的水凝膠的溶脹機制。(E)不含/含微球的MADH在去離子水中浸泡48小時前后的照片。(F)不含/含微球的MADH和AMSH的溶脹率。(G和H)與MADH和對照組共培養的小膠質細胞的熒光顯微照片(G)和相對細胞存活率(H)。(I)由盲法病理學家評估的樣本植入后相應腦區的炎癥評分(0，正常；1，極輕微；2，輕微；3，嚴重)。

圖4.柔性電極陣列的記錄與刺激特性。(A)電極/腦組織界面示意圖，包含誘發電位的傳導與傳輸。(B)不同電極的接觸阻抗比較。(C)DH電極、DH(三次)電極和商用電極的電荷注入曲線。(D)實驗設計，包括術前麻醉與神經電生理監測(階段1，i)，術中電極重新定位與信號采集(階段2，ii)。(E至G)在開顱手術期間，經過0、5、10次重新定位后，DH電極和AH電極的SSEP波形(E)、阻抗(F)和信噪比(G)。對照組：商用ECoG電極。(H至I)分別位于初始位置的DH(初始)電極、第5次重新定位時的DH(一次)電極和第10次重新定位時的DH(二次)電極的SSEP波形(H)、阻抗(I)和信噪比(I)。DH(一次)和DH(二次)電極分別代表第一次和第二次組裝新MADH的界面。

圖5.柔性電極陣列的SSEP監測。(A)用于SSEP監測的電極陣列示意圖。S1、M1和M2分別代表初級軀體感覺皮層、初級運動皮層和次級運動皮層。(B)上肢的SSEP波形和熱圖。虛線框表示信號出現的區域。(C)隨著刺激電流增加，從電極陣列(CH2)采集到的SSEP幅值和潛伏期的變化。(D)SSEP監測的照片。(E)不同條件下(初始狀態、MADH一次重構后、兩次重構后)SSEP的變化。(F和G)通過柔性電極陣列監測TBI的示意圖(F)和SSEP監測結果(G)，其中實線和虛線分別代表TBI前后的曲線。(H)TBI前后對側通道的SSEP幅值。

圖6.柔性電極陣列刺激誘發MEP。(A)兔腦中用于刺激的電極放置位置。(B)不同刺激電流下，由電極陣列CH2誘發的MEP波形和熱圖。(C)由柔性電極陣列和商用電極誘發的MEP幅值。(D)不同條件下(初始狀態、MADH一次重構后、兩次重構后)獲得的MEP波形。(E至F)神經阻滯實驗三個階段中幅值(E)和潛伏期(F)的變化。

  相關工作得到了國家自然科學基金原創探索及其延續資助項目、卓越研究群體等項目（52550004, 52188102）以及華中科技大學機械學院STAR項目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2533145123