近期，華東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 屈雪教授等人在期刊Biomaterials Translational上發(fā)表綜述文章：Advances in electrode interface materials and modification technologies for brain-computer interfaces，文章綜述了神經(jīng)電極材料與改進(jìn)技術(shù)的最新進(jìn)展。以神經(jīng)電極植入人腦后面臨的多種生物學(xué)挑戰(zhàn)為切入點(diǎn)，文章從材料和技術(shù)兩個方面進(jìn)行了討論：神經(jīng)電極本體材料和涂層材料的發(fā)展情況；涂層改性技術(shù)的發(fā)展情況。

研究內(nèi)容簡介

腦機(jī)接口（BCI）可實(shí)現(xiàn)人腦與外部設(shè)備之間的信息交換，為診斷和治療與腦有關(guān)的疾病提供了全新的方案。神經(jīng)電極在腦組織和外部電子設(shè)備之間傳輸電子、光學(xué)和化學(xué)信號方面起著至關(guān)重要的作用，影響著 BCI 的性能和壽命。研究人員致力于提高神經(jīng)電極的靈活性、信號識別能力和生物相容性，以增強(qiáng)其在大腦中的功能。文章強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)電極在腦組織中面臨的挑戰(zhàn)，以及電極接口材料在決定電極功能方面的重要性。

圖1 神經(jīng)電極的組成要素

神經(jīng)電極的生理與功能要求

腦機(jī)接口（BCI）可實(shí)現(xiàn)人腦與外部設(shè)備之間的信息交換，為診斷和治療與腦有關(guān)的疾病提供了全新的方案。神經(jīng)電極在腦組織和外部電子設(shè)備之間傳輸電子、光學(xué)和化學(xué)信號方面起著至關(guān)重要的作用，影響著 BCI 的性能和壽命。研究人員致力于提高神經(jīng)電極的靈活性、信號識別能力和生物相容性，以增強(qiáng)其在大腦中的功能。文章強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)電極在腦組織中面臨的挑戰(zhàn)，以及電極接口材料在決定電極功能方面的重要性。

神經(jīng)電極本體材料

電極本體材料是組成神經(jīng)電極的基礎(chǔ)，提供重要的信號交換功能。傳統(tǒng)電極材料主要包括金屬和無機(jī)半導(dǎo)體材料。碳量子點(diǎn)、碳納米線、碳納米管和石墨烯等新興的碳納米材料，與金屬和半導(dǎo)體相比具有更好的生物相容性和電氣性能。導(dǎo)電聚合物作為柔性有機(jī)材料的出現(xiàn)，在保證電氣性能的同時極大增強(qiáng)了電極的生物相容性和機(jī)械柔順性，擴(kuò)大了神經(jīng)電極界面材料的選擇范圍。生物基材料如，殼聚糖、絲素蛋白、膠原等，具備生物活性且更加柔軟，與其他材料復(fù)合使用能夠賦予神經(jīng)電極更豐富的生物學(xué)功能。

圖2 半導(dǎo)體材料神經(jīng)電極。(A) 1024 通道 SiMNA 的照片。(B) 植入大鼠大腦右半球的SiMNA 放大視圖。(C）SiMNA 植入大鼠右半球的示意圖（綠色高亮區(qū)域表示成功植入皮層 SiMN，紅色高亮區(qū)域的 SiMN 位于大鼠頭骨頂部），以及胡須打擊刺激誘發(fā) LFP 響應(yīng)的信噪比直方圖。(D) 圖案化 TiO2 電極的側(cè)視圖和俯視圖。俯視圖中的綠色平行線代表附著在 60 個外部接觸墊上的 ITO 圖案。(E)(a-f）左圖：ZnO-TFT 電極的的逐層構(gòu)造；右圖：ZnO-TFT 電極的結(jié)構(gòu)示意圖。(F)ZnO-TFT 陣列的顯微圖像。紅色虛線框標(biāo)出了由 16 個并聯(lián) ZnO-TFT 組成的有源區(qū)，與 E中紅色虛線框中的有源區(qū)相對應(yīng)。Al2O3：氧化鋁；ITO：氧化銦；LFP：局部場電位；PtNM：鉑納米網(wǎng)；S/D：源極/漏極；SiMNA：硅微針陣列；SNR：信噪比；TFT：薄膜晶體管；TiO2：二氧化鈦；W/L：寬長比；ZnO：氧化鋅。

神經(jīng)電極界面材料

除了設(shè)計(jì)電極本體材料的結(jié)構(gòu)與性能外，為基礎(chǔ)電極裝飾功能性涂層材料，是另一種解決電極本體功能局限性的可行方案。電極界面是電極本體與腦組織直接接觸的區(qū)域，也是電信號傳遞和細(xì)胞活動的重要區(qū)域，可以認(rèn)為界面的性能決定了電極的性能。而涂層作為界面材料，可以臨時或長期地作為本體電極的伴侶結(jié)構(gòu)存在，提供功能性表面，作為本體電極功能的延伸或補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的涂層材料包括金屬和無機(jī)半導(dǎo)體涂層。例如將納米金屬材料用于柔性電極基底，在聚合物纖維修飾金納米粒子可以在柔性基底上極大增強(qiáng)電極的電性能。此外，結(jié)合金屬和聚合物的復(fù)合涂層是熱點(diǎn)的研究方向，例如納米金粒子外殼和水凝膠層相結(jié)合，以及與聚合物水凝膠復(fù)合的碳材料，旨在提高神經(jīng)電極的電氣性能、生物活性和穩(wěn)定性，從而更好地與腦組織結(jié)合并增強(qiáng)信號接收能力。

神經(jīng)電極涂層技術(shù)與涂層設(shè)計(jì)

神經(jīng)電極往往具有低機(jī)械強(qiáng)度和微型化尺寸的特點(diǎn)，并且需要在人體內(nèi)長期服役，這也對涂層技術(shù)提出了更高的要求。除了保證涂層材料與電極之間的長期穩(wěn)定連接，先進(jìn)的涂層技術(shù)還應(yīng)當(dāng)支持涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及表面形貌的可控制備。目前可控制造具有特定結(jié)構(gòu)以及圖案化涂層的技術(shù)可以粗略地分為減材制造（如，光刻，蝕刻等）和增材制造（如化學(xué)氣相沉積，電化學(xué)沉積，靜電紡絲和微接觸印刷等）兩大類。

使用這些技術(shù)，可以對涂層進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)。例如在具有不同組成結(jié)構(gòu)和理化性能的電極表面上，以微（納）米尺度定制具有特定幾何圖案，3D結(jié)構(gòu)和粗糙度的微觀形貌。也可以對涂層負(fù)載藥物，例如負(fù)載抗炎劑、細(xì)胞附著分子和神經(jīng)營養(yǎng)因子來調(diào)節(jié)植入材料的生物活性，從而改善神經(jīng)電極周圍的微環(huán)境并協(xié)調(diào)生物反應(yīng)。

圖3 通過微形態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞活動的神經(jīng)電極涂層。(A) (A1) 涂覆在硅晶片上的膠原纖維和 (A2) 通過納米壓印工藝開發(fā)的膠原蛋白類金納米結(jié)構(gòu)的SEM圖像；CLGNS 納米結(jié)構(gòu)工藝在 (A3) 微電極陣列表面和 (A4) 蜿蜒圖案上的應(yīng)用。(B) 光圖案化 MH的照片和經(jīng)SBMA處理的 PEDOT:PSS 的 AFM 電流圖像。(C) 支架的 SEM 照片，藻酸鹽為灰色，GF 為紅色，CNT 為藍(lán)色。(D) 在電刺激下，PC-12 細(xì)胞在不同包層角度的微纖維上培養(yǎng) 14 天的代表性免疫熒光圖像和 (E) 共聚焦顯微鏡圖像。CLGNS：膠原樣金納米結(jié)構(gòu)；DAPI：4,6-二脒基-2-苯基吲哚；MH：多功能水凝膠；PEDOT:PSS：聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）:聚（苯乙烯磺酸鹽）；SBMA：3-[二甲基-[2-（2-甲基丙-2-烯酰氧基）乙基]銨基]丙烷-1-磺酸鹽。

展望

盡管目前距離理想的神經(jīng)電極仍然有很長的距離，但已經(jīng)引入的新穎的電極材料與加工技術(shù)，比如納米金屬材料，半導(dǎo)體材料，納米碳材料，導(dǎo)電聚合物以及生物基材料，不斷開拓神經(jīng)電極材料的可能性。單一的材料難以滿足神經(jīng)電極的多重需求，而復(fù)合多種材料的神經(jīng)電極，或使用不同材料組合對基礎(chǔ)電極進(jìn)行涂層修飾，可以比單一材料電極具備更全面的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，對涂層進(jìn)行更高分辨率的圖案化或者結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，通過形貌線索對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控的方法，為神經(jīng)電極功能化提供了另一種方向。多種材料結(jié)合和新合成加工工藝的拓展都有望實(shí)現(xiàn)真正理想的神經(jīng)電極，達(dá)到無縫腦機(jī)接口的目標(biāo)，并對臨床醫(yī)療、腦功能分析以及人機(jī)交互領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。

論文第一/通訊作者簡介

焦蕓可（第一作者）：華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，研究方向：電化學(xué)組裝高性能生物材料。

屈雪（通訊作者）：國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，上海市優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人，上海市青年科技啟明星，日本JSPS Fellow，上海市青年五四獎?wù)录w負(fù)責(zé)人。本科畢業(yè)于鄭州大學(xué)，博士畢業(yè)于中科院化學(xué)所（碩博連讀）；2007-2009年在日本早稻田大學(xué)從事JSPS博士后研究；2009至今，于華東理工大學(xué)任副教授、教授。長期從事天然生物大分子（蛋白、聚糖、多酚）的新型生物材料設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造及其應(yīng)用研究，包括各類活性水凝膠、功能膜、組織工程支架、微針等等。

資助信息

本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3800800）、國家自然科學(xué)基金（31922041、32171341、32301113）、"111"項(xiàng)目（B14018）、上海市科委科技創(chuàng)新項(xiàng)目和優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目（21S31901500、21XD1421100）、國家博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃（BX20230122）、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃（23YF14097）等項(xiàng)目的資助。

審核編輯：劉清