《Advanced Materials》：Conformal Thermoreversible Gelatin-Based Gel for High-Fidelity Electrophysiological Recording and Acute Peripheral Nerve Interfacing
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共形且组织适应性的生物电子接口对于电生理记录和神经刺激仍然是一个挑战，特别是在不规则或毛发覆盖的表面上，传统电极无法维持紧密、低阻抗的接触。在此，研究人员报告了一种热可逆明胶基凝胶，该凝胶在冷却时从可流动前体转变为共形导电界面层，从而能够在皮肤上原位形成，并作
共形且组织适应性的生物电子接口对于电生理记录和神经刺激仍然是一个挑战，特别是在不规则或毛发覆盖的表面上，传统电极无法维持紧密、低阻抗的接触。在此，研究人员报告了一种热可逆明胶基凝胶，该凝胶在冷却时从可流动前体转变为共形导电界面层，从而能够在皮肤上原位形成，并作为金属电极与神经组织之间的预成型顺应性中间层。该凝胶整合了均匀分散的碳纳米管（CNT）网络与来自氯化钠（NaCl）的移动离子，以支持共存的离子和电子传输路径，同时明胶基基质提供保湿和机械顺应性。它在无毛和有毛皮肤上实现了低界面阻抗，优于商用心电图（ECG）凝胶和脑电图（EEG）膏。该凝胶的通用性在多种模式和物种中得到验证，包括大鼠的心电图和急性周围神经刺激、恒河猴的复合肌肉动作电位（CMAP）和感觉神经动作电位（SNAP）记录，以及人类的脑电图（EEG）。除了这些横断面评估外，使用该凝胶进行重复短期记录还能实现对神经损伤模型中周围神经功能恢复的纵向评估。总之，这项工作建立了一种组织适应性和可重构的策略，用于在复杂的生物环境中实现稳定、低阻抗的生物电子接口。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
生物电子接口是实现可穿戴和植入式设备功能的关键平台，涵盖高保真电生理监测、实时假肢控制以及神经刺激与记录。然而，传统金属电极因高弹性模量，难以与柔软的生物组织形成紧密且机械兼容的接触。这种机械不匹配会损害共形接触，导致信号转导不稳定和记录不准确。尤其在不规则或毛发密集的皮肤表面，传统电极难以维持低阻抗接触；而用于神经接口的刚性电极则因与神经组织的刚度差异，可能引起界面应力、局部炎症，并降低记录与刺激的可靠性。此外，现有导电膏或水凝胶在长期使用中易失水，导致信号质量下降。因此，亟需一种兼具低界面阻抗、机械顺应性、保湿性及组织适应性的多功能界面材料，以满足表皮电生理记录和急性神经接口的需求。
**研究内容与结论**
研究人员开发了一种热可逆明胶基凝胶，该凝胶由明胶、甘油、水、导电碳纳米管（CNT）和氯化钠（NaCl）组成。该凝胶在加热时呈可流动前体，可涂覆于不规则或毛发覆盖的皮肤表面并渗入毛发间隙，冷却后原位固化为共形界面层；对于急性周围神经接口，则预制成型作为金属电极与神经组织之间的顺应性中间层，避免热暴露。通过整合共存的离子和电子传输路径以及甘油介导的保湿性，该凝胶在记录期间维持低界面阻抗并支持电生理信号采集。研究结果显示：该凝胶在无毛和前臂皮肤上于10 Hz处界面阻抗为14.68 kΩ·cm2，显著低于商用Ag/AgCl ECG凝胶（141.50 kΩ·cm2）；在毛发密集的头皮上于10 Hz处为68.64 kΩ·cm2，远低于商用Ten20 EEG膏（343.80 kΩ·cm2）。在大鼠心电图中，凝胶在4小时后信噪比（SNR）仍保持14.91 dB，约为商用贴片的2.6倍。在恒河猴复合肌肉动作电位（CMAP）记录中，凝胶将记录位点界面阻抗从19 kΩ降至2 kΩ，且波形形态、峰值幅度、潜伏期和传导速度与商用贴片相当。在人类脑电图（EEG）中，凝胶无需洗头即可在毛发密集区域快速建立低阻抗接触（<20 kΩ，持续3小时），并成功记录到静息态α节律、事件相关电位（ERP）的P1和N170成分以及稳态视觉诱发电位（SSVEP），其信噪比和频谱特性与商用EEG膏相当或更优。在急性神经刺激中，凝胶作为顺应性中间层将大鼠坐骨神经的1 kHz界面阻抗从750.72 Ω·cm2降至353.5 Ω·cm2，减轻了金属电极引起的组织压痕，并降低了急性巨噬细胞反应（CD68和Iba-1免疫荧光显示）。该凝胶还能可靠地捕捉神经横断后CMAP信号的消失、手术修复后的恢复以及自体神经移植后传导速度的降低。论文发表在《Advanced Materials》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1）流变学表征评估凝胶的溶胶-凝胶转变温度及机械性能；2）电化学阻抗谱（EIS）和直流极化测量分析离子和电子传输路径；3）界面阻抗测量在人体皮肤和大鼠坐骨神经上进行；4）生物相容性评估包括体外细胞活力（CCK-8和活/死染色）及体内皮肤刺激实验；5）电生理记录包括大鼠心电图、恒河猴CMAP和SNAP、人类EEG（含ERP和SSVEP）。样本队列来源：19名健康参与者来自华北理工大学（中国）进行EEG记录。
**研究结果**
**2.1 热可逆明胶基凝胶建立适应性、机械顺应性和粘附性生物界面**
通过将明胶溶解于水-甘油二元溶剂中并加入CNT和NaCl制备凝胶。流变学显示冷却至46°C以下时发生溶胶-凝胶转变。凝胶能渗入毛发间隙并与皮肤形成共形接触（HE染色证实）。机械测试表明凝胶断裂应力514 kPa，断裂应变288%，循环压缩后应力仅下降约16%，且能在-20°C下保持柔性。90°剥离测试测得粘附强度0.86 N/cm，粘附能86 J/m2，在重复弯曲中保持稳定。
**2.2 热可逆明胶基凝胶表现出低阻抗和共存的离子和电子传输路径**
EIS显示凝胶在10 Hz时阻抗为290 Ω，仅为商用Ten20 EEG膏的12.4%。Nyquist图和等效电路拟合区分出离子电阻（R
i = 283.4 Ω）和电子电阻（R
e = 2423 Ω）。直流极化证实离子和电子共存贡献。凝胶在1 kHz时面积归一化阻抗为17.2 Ω·cm2，电荷注入能力（CIC）为6.7 μC/cm2，远高于Ag电极（0.83 μC/cm2）。
**2.3 热可逆明胶基凝胶在皮肤和周围神经界面表现出低界面阻抗**
同时添加CNT和NaCl的凝胶在皮肤上界面阻抗最低（28.09 kΩ·cm2 at 1 Hz），优于单独添加。在毛发头皮上，凝胶界面阻抗为68.64 kΩ·cm2（10 Hz），远低于商用EEG膏。在120分钟内阻抗保持稳定。在人工汗液条件下阻抗进一步降低。在大鼠坐骨神经上，凝胶涂层将Ag电极的1 kHz界面阻抗从750.72 Ω·cm2降至353.5 Ω·cm2。
**2.4 热可逆明胶基凝胶表现出良好的生物相容性**
L929、HaCaT、HSF和RSC96细胞与凝胶提取物共培养后相对生长率均>90%，活/死染色显示极少死细胞。大鼠背部皮肤24小时接触无红斑、水肿，组织学正常。人体前臂12小时接触未见刺激。
**2.5 热可逆明胶基凝胶实现可靠的ECG、CMAP和SNAP记录**
大鼠ECG记录中，凝胶在4小时后SNR为14.91 dB，比商用贴片高约2.6倍。恒河猴CMAP记录中，凝胶将界面阻抗从19 kΩ降至2 kΩ，传导速度107.0 m/s，与商用贴片无显著差异。SNAP记录中凝胶波形幅度更高。在自体神经移植模型中，凝胶成功检测到24周后传导速度从107.0 m/s降至85.8 m/s，幅度下降>80%。
**2.6 热可逆明胶基凝胶作为急性周围神经刺激和功能评估的顺应性界面层**
大鼠坐骨神经模型中，凝胶涂层消除了金属电极引起的组织压痕。免疫荧光显示凝胶组CD68和Iba-1阳性细胞比例与假手术组无显著差异，而裸Ag组显著升高。CMAP记录显示凝胶涂层与裸Ag电极波形一致（潜伏期1.47 ms，幅度44.5 mV）。神经横断后CMAP消失，修复后信号恢复。自体移植后4周，CMAP幅度从39.3 mV降至13.1 mV。
**2.7 热可逆明胶基凝胶实现可靠的EEG记录**
在19名参与者中，凝胶通过EEG帽注入毛发头皮，2分钟内建立低阻抗接触（<20 kΩ），持续3小时。静息态EEG中，凝胶的功率谱密度（PSD）在δ和α频段保持较高值，α衰减率低于商用EEG膏。SNR和排列熵无显著差异，且1.5小时测试-重测相关性良好。
**2.8 热可逆明胶基凝胶实现可靠的ERP和SSVEP记录**
在视觉ERP中，凝胶记录的P1波幅显著高于商用EEG膏，N170无差异。SNR在P1上更高，N170上无差异。ITPC无显著差异。SSVEP中，凝胶在基频（6.5 Hz）及谐波处频谱响应与商用膏相当，但SNR显著更高。时间域波形（N1约70 ms）匹配。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，该凝胶通过整合离子和电子传导路径、热可逆溶胶-凝胶转变及保湿基质，克服了单一材料难以同时实现低阻抗、机械顺应性和保湿稳定性的挑战。在无毛和有毛皮肤上均表现出比商用产品更低的界面阻抗，并在ECG、CMAP、SNAP、EEG（包括ERP和SSVEP）中实现可靠记录。作为神经界面层，它降低了阻抗、减轻了组织损伤和急性炎症反应，并能监测神经功能变化。局限性包括：未评估多天连续表皮操作、长期体内神经接触、以及慢性植入稳定性。未来需优化组分以增强离子/电子传输，并探索化学交联或网络稳定策略以延长结构寿命，同时保持热可逆性。
研究结论部分翻译如下：研究人员开发了一种包含CNT和NaCl的热可逆明胶基凝胶，该凝胶在冷却时从可流动前体转变为柔软的共形导电界面层。通过将共存的离子和电子传输路径整合到水合且机械顺应性基质中，该凝胶无需外部粘合剂或复杂固定即可快速适应不规则和毛发覆盖的生物表面。优化后的配方在测试条件下表现出低界面阻抗、机械顺应性和良好的生物相容性，支持可靠的ECG、EEG、CMAP和SNAP记录，同时作为急性周围神经刺激的顺应性中间层。其在ERP和SSVEP范式中的性能与商用EEG膏相当。总体而言，这项工作建立了一种热可逆且可重构的材料策略，用于在表皮电生理学和急性周围神经接口中实现共形、低阻抗的生物电子接触。
