脑机接口电极界面材料与改性技术进展综述

近期，华东理工大学 材料科学与工程学院 屈雪教授等人在期刊Biomaterials Translational上发表综述文章：Advances in electrode interface materials and modification technologies for brain-computer interfaces，文章综述了神经电极材料与改进技术的最新进展。以神经电极植入人脑后面临的多种生物学挑战为切入点，文章从材料和技术两个方面进行了讨论：神经电极本体材料和涂层材料的发展情况；涂层改性技术的发展情况。

 

研究内容简介

 

脑机接口（BCI）可实现人脑与外部设备之间的信息交换，为诊断和治疗与脑有关的疾病提供了全新的方案。神经电极在脑组织和外部电子设备之间传输电子、光学和化学信号方面起着至关重要的作用，影响着 BCI 的性能和寿命。研究人员致力于提高神经电极的灵活性、信号识别能力和生物相容性，以增强其在大脑中的功能。文章强调了神经电极在脑组织中面临的挑战，以及电极接口材料在决定电极功能方面的重要性。

图1 神经电极的组成要素

神经电极的生理与功能要求

脑机接口（BCI）可实现人脑与外部设备之间的信息交换，为诊断和治疗与脑有关的疾病提供了全新的方案。神经电极在脑组织和外部电子设备之间传输电子、光学和化学信号方面起着至关重要的作用，影响着 BCI 的性能和寿命。研究人员致力于提高神经电极的灵活性、信号识别能力和生物相容性，以增强其在大脑中的功能。文章强调了神经电极在脑组织中面临的挑战，以及电极接口材料在决定电极功能方面的重要性。

神经电极本体材料

电极本体材料是组成神经电极的基础，提供重要的信号交换功能。传统电极材料主要包括金属和无机半导体材料。碳量子点、碳纳米线、碳纳米管和石墨烯等新兴的碳纳米材料，与金属和半导体相比具有更好的生物相容性和电气性能。导电聚合物作为柔性有机材料的出现，在保证电气性能的同时极大增强了电极的生物相容性和机械柔顺性，扩大了神经电极界面材料的选择范围。生物基材料如，壳聚糖、丝素蛋白、胶原等，具备生物活性且更加柔软，与其他材料复合使用能够赋予神经电极更丰富的生物学功能。

图2 半导体材料神经电极。(A) 1024 通道 SiMNA 的照片。(B) 植入大鼠大脑右半球的SiMNA 放大视图。(C）SiMNA 植入大鼠右半球的示意图（绿色高亮区域表示成功植入皮层 SiMN，红色高亮区域的 SiMN 位于大鼠头骨顶部），以及胡须打击刺激诱发 LFP 响应的信噪比直方图。(D) 图案化 TiO2 电极的侧视图和俯视图。俯视图中的绿色平行线代表附着在 60 个外部接触垫上的 ITO 图案。(E)(a-f）左图：ZnO-TFT 电极的的逐层构造；右图：ZnO-TFT 电极的结构示意图。(F)ZnO-TFT 阵列的显微图像。红色虚线框标出了由 16 个并联 ZnO-TFT 组成的有源区，与 E中红色虚线框中的有源区相对应。Al2O3：氧化铝；ITO：氧化铟；LFP：局部场电位；PtNM：铂纳米网；S/D：源极/漏极；SiMNA：硅微针阵列；SNR：信噪比；TFT：薄膜晶体管；TiO2：二氧化钛；W/L：宽长比；ZnO：氧化锌。

神经电极界面材料

除了设计电极本体材料的结构与性能外，为基础电极装饰功能性涂层材料，是另一种解决电极本体功能局限性的可行方案。电极界面是电极本体与脑组织直接接触的区域，也是电信号传递和细胞活动的重要区域，可以认为界面的性能决定了电极的性能。而涂层作为界面材料，可以临时或长期地作为本体电极的伴侣结构存在，提供功能性表面，作为本体电极功能的延伸或补偿。

传统的涂层材料包括金属和无机半导体涂层。例如将纳米金属材料用于柔性电极基底，在聚合物纤维修饰金纳米粒子可以在柔性基底上极大增强电极的电性能。此外，结合金属和聚合物的复合涂层是热点的研究方向，例如纳米金粒子外壳和水凝胶层相结合，以及与聚合物水凝胶复合的碳材料，旨在提高神经电极的电气性能、生物活性和稳定性，从而更好地与脑组织结合并增强信号接收能力。

神经电极涂层技术与涂层设计

神经电极往往具有低机械强度和微型化尺寸的特点，并且需要在人体内长期服役，这也对涂层技术提出了更高的要求。除了保证涂层材料与电极之间的长期稳定连接，先进的涂层技术还应当支持涂层内部结构以及表面形貌的可控制备。目前可控制造具有特定结构以及图案化涂层的技术可以粗略地分为减材制造（如，光刻，蚀刻等）和增材制造（如化学气相沉积，电化学沉积，静电纺丝和微接触印刷等）两大类。

使用这些技术，可以对涂层进行复杂的结构与功能设计。例如在具有不同组成结构和理化性能的电极表面上，以微（纳）米尺度定制具有特定几何图案，3D结构和粗糙度的微观形貌。也可以对涂层负载药物，例如负载抗炎剂、细胞附着分子和神经营养因子来调节植入材料的生物活性，从而改善神经电极周围的微环境并协调生物反应。

图3 通过微形态调节细胞活动的神经电极涂层。(A) (A1) 涂覆在硅晶片上的胶原纤维和 (A2) 通过纳米压印工艺开发的胶原蛋白类金纳米结构的SEM图像；CLGNS 纳米结构工艺在 (A3) 微电极阵列表面和 (A4) 蜿蜒图案上的应用。(B) 光图案化 MH的照片和经SBMA处理的 PEDOT:PSS 的 AFM 电流图像。(C) 支架的 SEM 照片，藻酸盐为灰色，GF 为红色，CNT 为蓝色。(D) 在电刺激下，PC-12 细胞在不同包层角度的微纤维上培养 14 天的代表性免疫荧光图像和 (E) 共聚焦显微镜图像。CLGNS：胶原样金纳米结构；DAPI：4,6-二脒基-2-苯基吲哚；MH：多功能水凝胶；PEDOT:PSS：聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）:聚（苯乙烯磺酸盐）；SBMA：3-[二甲基-[2-（2-甲基丙-2-烯酰氧基）乙基]铵基]丙烷-1-磺酸盐。

展望

尽管目前距离理想的神经电极仍然有很长的距离，但已经引入的新颖的电极材料与加工技术，比如纳米金属材料，半导体材料，纳米碳材料，导电聚合物以及生物基材料，不断开拓神经电极材料的可能性。单一的材料难以满足神经电极的多重需求，而复合多种材料的神经电极，或使用不同材料组合对基础电极进行涂层修饰，可以比单一材料电极具备更全面的优势。在此基础上，对涂层进行更高分辨率的图案化或者结构化设计，通过形貌线索对神经细胞进行调控的方法，为神经电极功能化提供了另一种方向。多种材料结合和新合成加工工艺的拓展都有望实现真正理想的神经电极，达到无缝脑机接口的目标，并对临床医疗、脑功能分析以及人机交互领域做出重大贡献。

论文第一/通讯作者简介

焦芸可（第一作者）：华东理工大学材料科学与工程学院博士研究生，研究方向：电化学组装高性能生物材料。

屈雪（通讯作者）：国家优秀青年科学基金获得者，上海市优秀青年学术带头人，上海市青年科技启明星，日本JSPS Fellow，上海市青年五四奖章集体负责人。本科毕业于郑州大学，博士毕业于中科院化学所（硕博连读）；2007-2009年在日本早稻田大学从事JSPS博士后研究；2009至今，于华东理工大学任副教授、教授。长期从事天然生物大分子（蛋白、聚糖、多酚）的新型生物材料设计、先进制造及其应用研究，包括各类活性水凝胶、功能膜、组织工程支架、微针等等。

资助信息

本研究得到了国家重点研发计划（2021YFB3800800）、国家自然科学基金（31922041、32171341、32301113）、"111"项目（B14018）、上海市科委科技创新项目和优秀学术带头人项目（21S31901500、21XD1421100）、国家博士后创新人才计划（BX20230122）、上海市扬帆计划（23YF14097）等项目的资助。

审核编辑：刘清