MXene涂层碳纤维电极：提升深部脑信号记录性能与MRI兼容性的简易策略

本文推荐了一种利用MXene（Ti3C2Tx）纳米片简易浸涂商用碳纤维电极的新方法，显著提升了深部脑刺激（DBS）电极的电导率、阻抗稳定性和电荷存储能力。在大鼠海马CA1区植入实验表明，该涂层电极在4周内保持稳定的低阻抗特性，降低了60 Hz线路噪声干扰，并成功记录到单神经元活动，同时具备优异的生物相容性和磁共振成像（MRI）兼容性，为慢性神经信号记录提供了安全、高效的解决方案。

　　

引言

深部脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）作为一种神经调控疗法，已被广泛应用于运动障碍、神经性疼痛、癫痫及精神类疾病的治疗。其治疗效果在很大程度上依赖于刺激参数的优化和电极在目标脑区的精准植入。特别是闭环DBS系统，能够通过实时监测神经活动动态调整刺激参数，显著提高治疗效益。因此，开发能够长期稳定记录高质量神经信号的电极，并同时兼容高分辨率医学影像如磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI），成为当前研究的关键挑战。

传统的金属电极（如钨、铂铱合金）虽导电性能优异，但在MRI环境下易引起成像伪影、局部发热甚至位移风险，限制了其在术中和术后影像引导中的应用。碳基电极因其良好的电化学稳定性、抗腐蚀性和生物安全性受到关注，但其导电性较差，制约了信号记录质量。MXene作为一种新型二维导电材料（过渡金属碳化物），具有高导电性和亲水性，可通过溶液法直接加工，为改善碳基电极性能提供了新思路。

MXene涂层电极的制备与表征

本研究采用简易的浸涂法，将Ti₃C₂T_x MXene纳米片涂覆于商用碳纤维电极表面。首先，通过酸蚀法和二甲亚砜（DMSO）剥离处理从Ti₃AlC₂ MAX相粉末中制备出Ti₃C₂T_x纳米片悬浮液，经洗涤浓缩后加入聚乙烯醇（PVA）增强涂层附着力。碳纤维电极经氧等离子体处理后，重复浸涂五次，形成约4 μm厚的MXene-PVA复合涂层。

材料表征显示，X射线衍射（XRD）图谱中Ti₃AlC₂的特征峰消失，（002）峰从9.5°移至6.1°，表明成功剥离出MXene纳米片。透射电镜（TEM）图像显示其典型的二维超薄形态，高分辨图像可见0.98 nm和0.26 nm的晶格条纹，分别对应（002）和（006）晶面。细胞毒性实验表明，Ti₃C₂T_x纳米片在10–200 μg mL^?1浓度下对人皮肤成纤维细胞无毒性作用，细胞存活率均高于98%。

电学性能测试表明，MXene涂层电极的电阻显著降低，范围在78–147 Ω，而未涂层碳电极电阻为3–6 kΩ。涂层平均电导率达1.25×10⁵ S m^?1，有效提升了信号传输的可靠性。

电化学特性与稳定性

MXene涂层电极在电化学阻抗谱（EIS）中表现出更低的界面阻抗，尤其在低频区电荷转移电阻显著降低，相位角接近零，表明其阻抗以电阻性为主导。循环伏安（CV）测试显示，涂层电极的阴极电荷存储容量（CSC）为201.78 ± 74.34 mC cm^?2，远高于未涂层电极的14.89 ± 3.25 mC cm^?2。增加涂层厚度至6 μm可进一步提高CSC至219.15 ± 48.59 mC cm^?2，阻抗降至10 kΩ。

通过电压瞬态曲线测定电荷注入能力（CIC），MXene涂层电极的阴极和阳极电流注入限值分别达120.58 μA和124.65 μA，远高于未涂层电极（约34 μA）。考虑到MXene具有更宽的电化学窗口（–1.7至+0.6 V），其阴极CIC可进一步提升至339.26 μA，CIC计算结果显示其阴极和阳极电荷注入容量分别为54.02 μC cm^?2和19.85 μC cm^?2，比未涂层电极高一个数量级。

环境稳定性测试中，拉曼光谱显示MXene涂层在琼脂凝胶中浸泡4周后仍保持结构完整，特征峰（208、396、570和720 cm^?1）及D、G波段未被破坏。能谱（EDX）分析发现，暴露于空气和磷酸盐缓冲液（PBS）中4周后，氧原子比例略有上升（＜10%），氟含量下降，表明表面终止基团发生轻微氧化。胶带剥离实验证明，添加PVA的MXene墨水涂层附着力显著增强，有效防止层间剥离。

电生理信号记录性能

在大鼠海马CA1区植入电极后，进行为期4周的慢性记录实验。MXene涂层电极在低频振荡（1–8 Hz）功率表现上优于未涂层电极，且随时间推移信号衰减更缓慢。双因素方差分析表明，时间对低频功率有显著影响（F(2,30)=5.75, p=0.0015），电极类型的影响接近显著（F(2,30)=3.18, p=0.0559）。未涂层电极的线路噪声（55–65 Hz）功率显著高于MXene和钨电极（p<0.0001），MXene电极在3周和4周时噪声功率显著低于未涂层组（p<0.05）。

阻抗监测显示，未涂层电极阻抗从1 MΩ升至2 MΩ，而MXene涂层电极阻抗稳定在250 kΩ左右，表明显著的慢性记录优势。此外，MXene电极成功记录到CA1区快速放电中间神经元的单单元活动，信号噪声比＞2.5，聚类轮廓评分达0.75，而未涂层电极未能捕获任何单单元信号。

神经炎症反应评估

植入4周后，通过免疫荧光染色分析脑组织中的炎症反应。CD68（炎症标志物）和Iba-1（小胶质细胞激活标志物）阳性细胞计数显示，MXene涂层电极与未涂层电极在植入位点附近无显著差异（CD68: p=0.5929；Iba-1: p=0.9855），表明MXene涂层未引起额外的神经炎症或胶质瘢痕形成。

MRI兼容性

7T T2加权MRI扫描显示，钨电极在琼脂模型和大鼠脑中均引起显著影像伪影，而碳纤维电极和MXene涂层电极均清晰可见，无失真现象。这表明MXene涂层电极完全兼容MRI环境，适用于术中影像引导和术后定位验证。

结论

本研究通过简易的浸涂法将Ti₃C₂T_x MXene纳米片涂层应用于商用碳纤维电极，显著提升了其电导率、电化学性能和慢性记录稳定性。动物实验证明，该涂层电极在海马CA1区能长期维持低阻抗、抑制线路噪声、捕获单神经元活动，且不引起神经炎症反应，同时具备优异的MRI兼容性。这种低成本、可规模化制备的电极涂层策略，为下一代DBS系统和慢性神经接口提供了重要技术基础。