近日，国际综合性权威期刊《PNAS》上刊发华中科技大学吴豪、尹周平教授、新加坡国立大学吴昌盛教授等在柔性电子医工交叉领域的新成果，题为“A soft electrode array with reconfigurable hydrogel interfaces for high-fidelity neurophysiological monitoring during craniotomy”(可重构水凝胶电极阵列用于开颅手术术中高保真神经电生理监测)，华中科技大学博士生杨淦光、庞博，硕士生龚航宇为论文共同第一作者，吴豪教授、吴昌盛教授、尹周平教授为共同通讯作者。

  在神经外科领域，开颅手术是治疗脑肿瘤、创伤性脑损伤等神经系统疾病的关键途径，术中大脑皮层电生理活动的精准监测在避免术中神经功能缺损、实现病灶部位精准切除中具有重要意义。尽管目前已经开发了多种商用颅内电生理监测技术，但仍存在如模量大、成本高以及采集信号质量较低等缺陷。近年来，柔性电子器件凭借优异的可拉伸性、力学适应性与生物相容性等特性，在颅内神经电生理监测领域展现出广阔的应用前景。然而，当前开颅手术术中神经生理监测面临着多重核心技术挑战：（1）颅脑表面湿润光滑，导致器件难以与颅脑界面实现紧密黏附，严重阻碍信号稳定采集；（2）大脑组织具有复杂轮廓、超低模量且质地脆弱的特点，与现有监测器件存在严重力学失配问题，无法实现共形耦合；（3）开颅手术耗时长，电极器件长期暴露于颅内极端环境，且为配合手术操作需反复定位，极易造成器件性能急剧衰减，大幅降低信号质量，难以实现可持续高质量神经信号监测。

  为解决上述技术挑战，研究团队开发了可重构水凝胶电极阵列，实现开颅手术期间可持续、高保真神经电生理信号监测。本研究提出溶液触发水凝胶界面层重构策略，当开颅手术测试期间水凝胶传感界面层性能衰减时，通过溶液触发界面层拆卸更换，进而构建可持续稳定耦合的器件/颅脑界面。此外，由于柔性电极阵列具有优异的湿黏附与抗溶胀性能，能够与湿润的脑组织形成牢固黏附，大幅提升电极的刺激与采集性能。该电极阵列可通过水凝胶界面层重构，实现体感诱发电位（SSEP）信号的高质量稳定监测，可有效缓解手术操作过程中运动伪影干扰，同时避免因电极反复定位引发的性能衰减问题。在动物创伤性脑损伤（TBl）模型中，该电极阵列能够精准捕捉体感诱发电位信号的波幅衰减特征，实现脑损伤区域的快速定位。在神经阻滞实验中，与商用电极相比，该电极阵列在水凝胶界面重构前后，均能以更低的刺激电流诱发出更高质量的运动诱发电位（MEP），实现神经阻滞过程及神经功能恢复过程的精准监测。相较于现有监测技术，该电极阵列在开颅手术中脑功能状态的精准评估与手术安全性提升方面具有明显优势，在神经外科手术监测领域展现出广阔的应用前景。

图1.可重构水凝胶电极阵列设计。(A)兔模型颅内神经电生理监测示意图。放大图展示了贴合于脑表面的柔性电极阵列。(B)电极阵列的分层结构爆炸图。(C)电极阵列中MADH的重构过程。(D)通过电极阵列进行SSEP记录与MEP诱发。(E)在正常、TBI及神经阻滞等不同状态下的神经电生理状态评估。(F)水凝胶电极/脑组织界面示意图。(G)AMSH/MADH界面的重构机制。(H)水凝胶/脑组织界面的粘附/抗溶胀机制。(I)术中监测的工作流程示意图，包括诱发电位采集、分析与诊断。(J)电极阵列上MADH/AMSH界面分别由Fe³⁺/柠檬酸溶液和EDTA溶液触发的牢固键合(i)与温和分离(ii)。(K)柔性电极阵列贴合于兔脑的照片。插图示电极通道与运动皮层区域的紧密耦合。

图2.溶液触发的水凝胶界面重构机制。(A)水凝胶电极的重构流程，包括Fe3?/柠檬酸溶液的扩散(i)，网络形成(ii)，EDTA溶液诱导的螯合作用(iii)，拆卸MADH并清洁以集成新的MADH层(iv)。(B)PAA、PAA/Fe³⁺和PAA/Fe³⁺(经EDTA处理)的粘度/剪切应力-剪切速率曲线。(C)经不同浓度EDTA溶液处理的MADH的结合强度曲线。EDTA处理时间为2小时。(D)经EDTA溶液(0.1 g/ml)处理不同时间后的界面结合强度。(E)电极中MADH的键合/拆卸循环及对应的SEM横截面图像。(F)重构循环中MADH/AMSH界面的键合强度。

图3.MADH界面的机械性能与生物相容性表征。(A)PMATAC微球的合成及SEM图像。(B和C)MADH粘附于不同脑组织时的照片(B)和粘附强度曲线(C)。(D)不含/含PMATAC微球的水凝胶的溶胀机制。(E)不含/含微球的MADH在去离子水中浸泡48小时前后的照片。(F)不含/含微球的MADH和AMSH的溶胀率。(G和H)与MADH和对照组共培养的小胶质细胞的荧光显微照片(G)和相对细胞存活率(H)。(I)由盲法病理学家评估的样本植入后相应脑区的炎症评分(0，正常；1，极轻微；2，轻微；3，严重)。

图4.柔性电极阵列的记录与刺激特性。(A)电极/脑组织界面示意图，包含诱发电位的传导与传输。(B)不同电极的接触阻抗比较。(C)DH电极、DH(三次)电极和商用电极的电荷注入曲线。(D)实验设计，包括术前麻醉与神经电生理监测(阶段1，i)，术中电极重新定位与信号采集(阶段2，ii)。(E至G)在开颅手术期间，经过0、5、10次重新定位后，DH电极和AH电极的SSEP波形(E)、阻抗(F)和信噪比(G)。对照组：商用ECoG电极。(H至I)分别位于初始位置的DH(初始)电极、第5次重新定位时的DH(一次)电极和第10次重新定位时的DH(二次)电极的SSEP波形(H)、阻抗(I)和信噪比(I)。DH(一次)和DH(二次)电极分别代表第一次和第二次组装新MADH的界面。

图5.柔性电极阵列的SSEP监测。(A)用于SSEP监测的电极阵列示意图。S1、M1和M2分别代表初级躯体感觉皮层、初级运动皮层和次级运动皮层。(B)上肢的SSEP波形和热图。虚线框表示信号出现的区域。(C)随着刺激电流增加，从电极阵列(CH2)采集到的SSEP幅值和潜伏期的变化。(D)SSEP监测的照片。(E)不同条件下(初始状态、MADH一次重构后、两次重构后)SSEP的变化。(F和G)通过柔性电极阵列监测TBI的示意图(F)和SSEP监测结果(G)，其中实线和虚线分别代表TBI前后的曲线。(H)TBI前后对侧通道的SSEP幅值。

图6.柔性电极阵列刺激诱发MEP。(A)兔脑中用于刺激的电极放置位置。(B)不同刺激电流下，由电极阵列CH2诱发的MEP波形和热图。(C)由柔性电极阵列和商用电极诱发的MEP幅值。(D)不同条件下(初始状态、MADH一次重构后、两次重构后)获得的MEP波形。(E至F)神经阻滞实验三个阶段中幅值(E)和潜伏期(F)的变化。

  相关工作得到了国家自然科学基金原创探索及其延续资助项目、卓越研究群体等项目（52550004, 52188102）以及华中科技大学机械学院STAR项目的支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2533145123