《Nature Communications》：Injectable hydrogel bioelectrostimulator for wireless deep brain neuromodulation
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本研究针对传统深部脑刺激(DBS)存在有线连接、侵入性强及组织相容性有限等问题，开发了一种通过生物催化聚合和静电自组装形成的原位凝胶化可注射导电水凝胶(ICH)。该材料在高频电容耦合下利用阻抗差异实现电场局部聚焦，成功在帕金森病大鼠模型中改善运动功能、保护多巴胺能神经元并恢复脑网络连接，为微创无线神经调控疗法提供了新平台。
在神经科学和生物医学工程领域，深部脑刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)技术已被证明对帕金森病、抑郁症等神经精神疾病具有显著疗效。然而，传统DBS设备需要通过外科手术植入电极，并由皮下连接的脉冲发生器供电，这种有线设计不仅限制了患者的日常活动，还可能引发感染、组织损伤等并发症。更关键的是，刚性电极与柔软脑组织之间的机械性能不匹配，容易导致炎症反应和信号衰减。这些固有缺陷促使科研人员寻求更安全、更符合生理特性的无线神经调控方案。
近日发表于《Nature Communications》的研究提出了一种突破性解决方案：通过注射器即可植入的导电水凝胶生物电刺激器。这种智能材料在脑组织内可自发凝胶化，形成与脑组织硬度相匹配的三维网络，既能减少植入损伤，又能实现无线化的深部脑区精准调控。该技术为神经疾病治疗提供了全新的技术范式。
研究人员主要运用了以下关键技术：通过生物催化聚合和静电自组装构建可注射导电水凝胶(ICH)体系；利用高频电容耦合技术实现无线能量传输；采用钙离子成像、c-Fos免疫组化和在体电生理记录验证神经激活效果；基于帕金森病大鼠模型进行行为学测试和多巴胺能神经元计数；通过功能磁共振成像(fMRI)分析全脑网络功能连接变化。
材料设计与表征
研究团队开发了一种由生物大分子和导电聚合物组成的复合体系，该材料在注射入脑组织后，通过酶促反应实现原位凝胶化。形成的ICH材料具有与脑组织相似的弹性模量（约1 kPa），其电导率高达10 S/m，且能在生理环境中保持长期稳定性。阻抗测试显示ICH与脑组织之间存在显著的介电特性差异，这为后续的电场聚焦效应奠定了基础。
无线刺激机制验证
在高频交变电场（1 MHz）作用下，由于ICH与周围脑组织介电常数差异，会在材料界面产生极化效应，导致电荷聚集。这种界面极化现象使电场强度在ICH周围提升约15倍，从而激活邻近神经元。通过计算仿真和离体脑片实验，研究人员证实该刺激方式可有效引发动作电位，且能量需求远低于传统DBS。
神经激活效果评估
在活体实验中，ICH刺激组大鼠大脑纹状体区钙信号强度增加3.2倍，运动皮层c-Fos阳性细胞数提升4.5倍，表明神经元被有效激活。电生理记录显示刺激后基底节-皮层环路的β波段振荡功率下降，这与运动功能改善的神经机制相符。
帕金森病治疗验证
在6-羟基多巴胺(6-OHDA)诱导的帕金森病大鼠模型中，ICH刺激组动物在旋转行为测试中的不对称转圈次数减少78%，震颤症状显著改善。免疫荧光染色显示黑质致密部酪氨酸羟化酶(TH)+神经元存活率提高至82.3%，显著高于对照组（45.6%）。
脑网络功能恢复
fMRI数据分析表明，刺激后基底节与运动皮层的功能连接强度恢复至正常水平约89%。扩散张量成像(DTI)显示纹状体区白质纤维完整性得到保护，分数各向异性(FA)值较未治疗组提升0.21。这些证据从系统水平证实了治疗对神经网络的重塑作用。
生物相容性评估
组织学检查显示ICH植入区仅出现轻微胶质细胞增生，重要器官未见毒性反应。材料在体内可稳定存在8周以上，降解产物对周围组织无不良影响。
本研究成功构建了一种兼具组织相容性和导电性的可注射水凝胶系统，首次实现了基于体积传导原理的无线深部脑刺激。该技术通过界面极化效应实现电场聚焦，避免了传统植入电极的刚性界面问题。在帕金森病模型中的治疗效果验证了其临床转化潜力，特别是对多巴胺能神经元的保护作用和神经网络功能恢复的证实，为神经退行性疾病的治疗提供了新思路。这种可注射式生物电子器件平台不仅适用于脑深部刺激，还可能拓展到心脏起搏、肌肉康复等生物电医学领域。
