基于PEDOT:PSS的透明无金属神经电极阵列助力双光子无伪影神经成像
2025-07-25 来源:本站 点击次数:114该研究由Hyun WooKim、Jiwon Kim、Jong Youl Kim等共同完成，论文题为《Transparent, metal-free PEDOT:PSS neural interfaces for simultaneous recording of low-noise electrophysiology and artifact-free two-photon imaging》，于2025年4月在线发表于《Nature Communications》。
重要发现
01全透明神经接口的诞生
传统神经接口中，金属电极会反射光线导致成像干扰，且激光照射易产生光电伪影，而现有透明接口常因连接线不透明或电极尺寸过大（超200μm）影响成像清晰度和信号分辨率。研究团队通过FPE处理技术，将PEDOT:PSS这一导电聚合物转化为性能优异的全透明神经电极材料——不仅电极位点透明，连接线也完全透明，解决了“透明与导电不可兼得”的难题。
在光学特性上，该PEDOT:PSS阵列表现出色。测试显示，PET基底上的FPE处理PEDOT:PSS薄膜在可见光范围内平均透光率达73%，优于常用的氧化铟锡（ITO）和三层石墨烯，且无金属材料的autofluorescence（自发荧光）问题。这意味着当激光穿透电极进行双光子成像时，不会因材料自身发光干扰信号，能清晰观察到神经元的形态、突触连接甚至脑血管结构。
实验中，研究人员将该阵列植入小鼠大脑，在100μm深度的z-stack成像中，无需移除电极即可清晰捕捉脑内血管和毛细血管的细节，而传统铂黑电极会导致图像扭曲，甚至遮挡深层结构。这种高透明度让研究人员首次实现了“电极在位”状态下的无死角成像，为同时观察神经结构与功能打开了窗口。
03成像与电生理的同步实现双光子成像依赖特定波长激光激发荧光染料，传统金属电极会因激光照射产生Becquerel效应，导致电生理记录出现伪影（如短暂信号或振荡），干扰局部场电位（LFP）和神经spike（锋电位）的分析。而FPE处理的PEDOT:PSS阵列完全无金属，在激光照射下几乎无光电伪影，让电生理记录与成像得以真正同步。
体内实验中，研究人员通过注射毛果芸香碱诱导小鼠癫痫，该阵列同时记录到了异常的神经spike活动（低至6.6-6.8μV的噪声水平）和双光子成像下的神经元形态变化。对比实验显示，传统ITO电极因高噪声（27-28μV）无法捕捉spike，而石墨烯电极的噪声也高于该阵列，证明其在同步记录与成像中的独特优势。
创新与亮点
01突破“透明与导电”的矛盾
过去，透明神经接口面临一个核心难题：材料的光学透明度与电化学性能难以兼顾。石墨烯、碳纳米管等透明材料虽能透光，但需用不透明连接线；若追求全透明，电极尺寸需超过200μm才能降低阻抗，却导致空间分辨率下降（无法区分单个神经元信号）。
FPE处理技术打破了这一僵局：甲酰胺削弱PEDOT与PSS的离子键，磷酸去除绝缘的PSS外壳，乙二醇减少PEDOT链间的π-π堆叠距离，三者协同将PEDOT:PSS的电导率提升至3.4×10³S/cm。这使得20×20μm²的微小电极仍能保持45.8kΩ的低阻抗，既满足高空间分辨率（捕捉单个神经元活动），又保持全透明（包括连接线），实现了“鱼与熊掌兼得”。
02生物相容性的跨越式提升神经接口的长期应用依赖材料的生物安全性。传统金属电极（如铂、金）可能引发免疫反应，导致炎症甚至组织损伤，影响信号稳定性。而FPE处理的PEDOT:PSS阵列在细胞实验中，神经元存活率与对照组无显著差异（Hoechst/PI染色显示几乎无死细胞）；体内植入1-14天后，脑内CD86（炎症标志物）的表达远低于铂黑电极组，且未观察到明显的小胶质细胞激活。
这种低毒性和低免疫原性使其有望用于慢性植入，为长期监测神经疾病（如癫痫、阿尔茨海默病）的进展提供了可能。
03从实验室到临床的潜力该技术的价值不仅体现在基础研究，更向临床应用迈出了关键一步。例如，在癫痫研究中，医生可通过该阵列同时观察病灶区神经元的形态异常（如树突棘丢失）和电活动紊乱（如高频spike），精准定位病灶；在脑机接口领域，其柔性特性（Young's模量与脑组织匹配）可减少植入损伤，透明特性便于术后通过成像评估电极位置是否准确。
此外，其制备成本远低于石墨烯和ITO（无需复杂真空设备），且可批量生产，为大规模应用奠定了基础。
总结与展望
该研究开发的全透明无金属PEDOT:PSS神经阵列，通过FPE处理技术实现了高透明度、低阻抗与高生物相容性的统一，首次在微小电极尺寸下同时支持无伪影双光子成像和低噪声电生理记录。它解决了传统神经接口的核心痛点，为解析神经回路、研究脑疾病机制提供了“结构-功能”同步观测的工具。未来，随着材料稳定性的进一步优化（如长期植入后的性能衰减），该技术有望拓展至临床诊断（如实时监测脑手术中的神经功能）、神经工程（如柔性脑机接口）等领域，推动脑科学研究与转化医学的跨越式发展。
声明：本文仅用作学术目的。
Kim HW, Kim J, Kim JY, Kim K, Lee JY, Kim T, Cho S, An JB, Kim HJ, Sun L, Lee S, Fukuda K, Someya T, Sang M, Cho YU, Lee JE, Yu KJ. Transparent, metal-free PEDOT:PSS neural interfaces for simultaneous recording of low-noise electrophysiology and artifact-free two-photon imaging. Nat Commun. 2025 Apr 29;16(1):4032.
DOI:10.1038/s41467-025-59303-2.