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东华大学先进纤维材料全国重点实验室张耀鹏教授、姚响副教授团队以具有优异生物相容性和低模量特征的丝素蛋白(silk fibroin，SF)薄膜作为基底，选用导电高分子聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)作为柔性导电材料，结合喷墨打印技术和热温辅助图案转移技术，在柔性SF薄膜基底上制备了高导电的PEDOT电极通路。在PEDOT电极末端，按需集成了具有 K⁺, Ca²⁺ 或 Na⁺ 选择性的电极功能层，构筑了具有单一离子信号监测功能的SF基离子选择性柔性神经电极。以此为基础，进一步在SF薄膜上集成了可同时监测2种离子信号的多个通道，进而构筑了具有良好多重离子响应功能和细胞相容性的柔性神经电极。
大脑通过控制各种神经化学物质的分泌或分解，达到传递信号和控制生物体行为的目的。其中，K⁺, Ca²⁺ 或 Na⁺ 等离子是神经信号传递的重要物质，它们在细胞膜内外的异常分布可能会导致神经信号的不稳定或异常传输，破坏系统的功能，甚至形成严重的神经系统疾病。因此，持续稳定监测电生理信号和/或各种神经化学离子的变化情况以协助诊疗退行性神经疾病是当前医疗领域中的重要需求。现有的柔性神经电极绝大部分均是依赖PDMS或其他不可降解的柔性高分子作为柔性基底。此类电极整体不可降解，信号采集后面临二次手术取出等不足。就可降解的柔性神经电极而言，目前前沿报道已开发的电极仅具有电信号响应特性，并不具有特征离子信号响应特性。
SF是一种从天然蚕丝中提取出的蛋白质，具有优异的生物相容性、生物可降解、易加工性和模量可调性，将其作为神经电极的基底有望最大程度地提升电极与脑组织的共形性以及整个器件的生物相容性，尽可能降低对活体脑组织的损伤。此外，SF同时具有可降解而避免二次手术取出的潜力优势。基于此，本研究利用SF材料，结合神经电极和离子选择性电极技术，开发了可同时监测2种神经特征性离子变化水平的多通道集成式柔性离子选择性神经电极。相关探索有望为开发微型化多重离子选择性柔性神经电极提供新的思路和策略。
研究者首先基于柔性SF薄膜，分别成功构筑了可识别K⁺, Ca²⁺, Na⁺的单一离子响应型柔性离子选择性神经电极(制备流程见图1)。该电极的核心部位由SF薄膜、PEDOT导电层、离子选择性功能层构成的“三明治”结构组成。
单通道电极对特征离子的响应结果如图2所示。根据电势随时间(特征离子浓度变化)响应的曲线(图2(a)、2(c)、2(e))，计算出电势随相应浓度的对数变化的电压拟合曲线，即校准曲线，见图2(b)、2(d)、2(f))。进一步的计算结果表明，三种离子选择性电极均可对不同浓度的目标离子进行响应，K⁺选择性电极的灵敏度为43.6 mV/dec，Ca²⁺选择性电极的灵敏度为27.9 mV/dec，Na⁺选择性电极的灵敏度为52.1 mV/dec。三种单通道电极的检测区域均为10⁻²~10² mmol/L，基本覆盖了脑脊液中的特征离子浓度范围。
除离子选择性电极可以识别的目标离子外，微环境中其他离子的存在也可能会使离子选择性电极的电位产生一定程度的改变。为评估电极的选择性，引入了选择性系数，依次选择了K⁺、Ca²⁺、Na⁺三种离子选择性电极，结果表面均具有较好的特异选择性，即所制备电极对目标离子的响应敏感度显著高于其对干扰离子的响应。因而可达到干扰离子的浓度几乎对目标离子的电势响应没有干扰的效果。
上述三种单功能离子选择性电极展现出良好的柔性、导电性和对特征目标离子的选择性。这为进一步构筑多通道集成式离子选择性电极中提供了可能。进一步地，本研究在所述单通道离子选择性电极的制备基础上，进一步开发了可同时监测两种不同离子的微型化多通道集成式神经电极，即可同时监测K⁺和Ca²⁺, 同时监测K⁺, Na⁺或同时监测Ca²⁺, Na⁺的三种集成式离子选择性电极(制备流程见图3)。
以K⁺, Ca²⁺集成式离子选择性电极为例(图4(a))，第0~50 s测试的初始电解液为去离子水。之后，每间隔50 s向电解液中加入一定量的KCl或CaCl₂，使电解液中的K⁺或Ca²⁺浓度达到预设值(见图4(a)标注)。结果表明，当加入Ca²⁺时，集成电极中的Ca²⁺通道会产生明显升高的电势响应；而此时的K⁺通道仅会产生极小幅度的电位变化。当进一步向体系中添加K⁺后，集成电极中的Ca²⁺通道仅会产生极小幅度的电位变化；而此时的K⁺通道会产生明显的电势升高响应。综合来看，干扰离子引起的电位变化不足目标离子引起电位变化的10%，可以忽略不计。由此可见，K⁺, Ca²⁺双通道集成式离子选择性电极可同时有效检测体系中两种离子的浓度变化。Ca²⁺, Na⁺选择性电极和Na⁺, K⁺选择性电极的离子响应性能见图4(b)、4(c)，综合结果呈现类似规律。综上，三种集成电极的两个通道均可精准响应两种目标离子，且通道之间无信号串扰。
此外，本研究还通过CCK-8试剂表征了雪旺细胞在三种样品表面的活力随培养时间的变化情况，同时也利用活/死荧光染色法评估了雪旺细胞在上述三种材料表面的细胞相容性。结果综合表明离子选择性电极中PEDOT和离子选择性薄膜(含PVC)的引入并未对集成电极的细胞相容性带来明显不利影响。
综上，本研究基于柔韧SF薄膜制备技术、导电高分子电极图案的喷墨打印技术、热温辅助图案转移技术和特征离子响应层构筑技术，构建了多通道集成式SF基离子选择性柔性神经电极。该电极具有高柔性、低阻抗、高灵敏度、高选择性、细胞相容性佳的特点。该电极还可同时有效实现两种特征离子的信号检测，信号传输不受电路串扰的影响，有望用于体内神经组织微环境中多种微量特征性离子信号的监测。相关研究为开发具有多重离子响应选择性的在体柔性神经电极提供了新的思路。
本文发表在《高分子学报》2026年第3期。论文第一作者为东华大学硕士生黄启楣，通讯作者为东华大学张耀鹏教授和姚响副教授。
黄启楣, 胡展翱, 耿敬敬, 姚响, 张耀鹏. 丝素蛋白基离子选择性柔性神经电极的研究. 高分子学报, 2026, 57(3), 695-708.
Huang, Q. M.; Hu, Z. A.; Geng, J. J.; Yao, X.; Zhang, Y. P. Study on silk fibroin-based flexible ion-selective neural electrodes. Acta Polymerica Sinica (in Chinese), 2026, 57(3), 695-708.
