腦機接口電極界面材料與改性技術進展綜述

近期，華東理工大學 材料科學與工程學院 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，文章綜述了神經電極材料與改進技術的最新進展。以神經電極植入人腦后面臨的多種生物學挑戰(zhàn)為切入點，文章從材料和技術兩個方面進行了討論：神經電極本體材料和涂層材料的發(fā)展情況；涂層改性技術的發(fā)展情況。

研究內容簡介

腦機接口（BCI）可實現人腦與外部設備之間的信息交換，為診斷和治療與腦有關的疾病提供了全新的方案。神經電極在腦組織和外部電子設備之間傳輸電子、光學和化學信號方面起著至關重要的作用，影響著 BCI 的性能和壽命。研究人員致力于提高神經電極的靈活性、信號識別能力和生物相容性，以增強其在大腦中的功能。文章強調了神經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 神經電極的組成要素

神經電極的生理與功能要求

腦機接口（BCI）可實現人腦與外部設備之間的信息交換，為診斷和治療與腦有關的疾病提供了全新的方案。神經電極在腦組織和外部電子設備之間傳輸電子、光學和化學信號方面起著至關重要的作用，影響著 BCI 的性能和壽命。研究人員致力于提高神經電極的靈活性、信號識別能力和生物相容性，以增強其在大腦中的功能。文章強調了神經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。

神經電極本體材料

電極本體材料是組成神經電極的基礎，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半導體材料。碳量子點、碳納米線、碳納米管和石墨烯等新興的碳納米材料，與金屬和半導體相比具有更好的生物相容性和電氣性能。導電聚合物作為柔性有機材料的出現，在保證電氣性能的同時極大增強了電極的生物相容性和機械柔順性，擴大了神經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，與其他材料復合使用能夠賦予神經電極更豐富的生物學功能。

圖2 半導體材料神經電極。(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 響應的信噪比直方圖。(D) 圖案化 TiO2 電極的側視圖和俯視圖。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 電極的的逐層構造；右圖：ZnO-TFT 電極的結構示意圖。(F)ZnO-TFT 陣列的顯微圖像。紅色虛線框標出了由 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。Al2O3：氧化鋁；ITO：氧化銦；LFP：局部場電位；PtNM：鉑納米網；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。

神經電極界面材料

除了設計電極本體材料的結構與性能外，為基礎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胞活動的重要區(qū)域，可以認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構存在，提供功能性表面，作為本體電極功能的延伸或補償。

傳統(tǒng)的涂層材料包括金屬和無機半導體涂層。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電極的電性能。此外，結合金屬和聚合物的復合涂層是熱點的研究方向，例如納米金粒子外殼和水凝膠層相結合，以及與聚合物水凝膠復合的碳材料，旨在提高神經電極的電氣性能、生物活性和穩(wěn)定性，從而更好地與腦組織結合并增強信號接收能力。

神經電極涂層技術與涂層設計

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

使用這些技術，可以對涂層進行復雜的結構與功能設計。例如在具有不同組成結構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結構和粗糙度的微觀形貌。也可以對涂層負載藥物，例如負載抗炎劑、細胞附著分子和神經營養(yǎng)因子來調節(jié)植入材料的生物活性，從而改善神經電極周圍的微環(huán)境并協(xié)調生物反應。

圖3 通過微形態(tài)調節(jié)細胞活動的神經電極涂層。(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構的SEM圖像；CLGNS 納米結構工藝在 (A3) 微電極陣列表面和 (A4) 蜿蜒圖案上的應用。(B) 光圖案化 MH的照片和經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 為藍色。(D) 在電刺激下，PC-12 細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：膠原樣金納米結構；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電極仍然有很長的距離，但已經引入的新穎的電極材料與加工技術，比如納米金屬材料，半導體材料，納米碳材料，導電聚合物以及生物基材料，不斷開拓神經電極材料的可能性。單一的材料難以滿足神經電極的多重需求，而復合多種材料的神經電極，或使用不同材料組合對基礎電極進行涂層修飾，可以比單一材料電極具備更全面的優(yōu)勢。在此基礎上，對涂層進行更高分辨率的圖案化或者結構化設計，通過形貌線索對神經細胞進行調控的方法，為神經電極功能化提供了另一種方向。多種材料結合和新合成加工工藝的拓展都有望實現真正理想的神經電極，達到無縫腦機接口的目標，并對臨床醫(yī)療、腦功能分析以及人機交互領域做出重大貢獻。

論文第一/通訊作者簡介

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

屈雪（通訊作者）：國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，上海市優(yōu)秀青年學術帶頭人，上海市青年科技啟明星，日本JSPS Fellow，上海市青年五四獎章集體負責人。本科畢業(yè)于鄭州大學，博士畢業(yè)于中科院化學所（碩博連讀）；2007-2009年在日本早稻田大學從事JSPS博士后研究；2009至今，于華東理工大學任副教授、教授。長期從事天然生物大分子（蛋白、聚糖、多酚）的新型生物材料設計、先進制造及其應用研究，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研發(fā)計劃（2021YFB3800800）、國家自然科學基金（31922041、32171341、32301113）、"111"項目（B14018）、上海市科委科技創(chuàng)新項目和優(yōu)秀學術帶頭人項目（21S31901500、21XD1421100）、國家博士后創(chuàng)新人才計劃（BX20230122）、上海市揚帆計劃（23YF14097）等項目的資助。

審核編輯：劉清