综述：基于本征可拉伸和导电纳米复合材料的集成植入式生物电子系统

这篇综述系统介绍了基于软纳米复合材料的植入式生物电子系统的最新进展。文章重点阐述了通过将导电纳米材料（如金属纳米线、碳基材料、导电聚合物和液态金属）与可拉伸聚合物基质（水凝胶和弹性体）结合，解决传统刚性电子设备与生物组织间的机械失配问题。这些材料创新与无线技术、人工智能分析的结合，为实现高性能闭环治疗平台（如心脏、大脑和周围神经接口）奠定了基础，为个性化医疗提供了新方向。

　　

材料候选：用于可拉伸和导电纳米复合材料

纳米复合材料的电学性能高度依赖于纳米填料的特性，而其力学性能则受基质组成的显著影响。因此，理解各组成材料的本征特性并确定与功能目标相匹配的最佳配对至关重要。

本征可拉伸基质

生物电子材料的机械性能应与目标组织紧密匹配，以减少组织损伤、炎症和设备故障的风险。在众多机械指标中，杨氏模量是评估接口材料与组织间机械相容性的关键参数。水凝胶具有高含水量和低杨氏模量（10³-10⁵ Pa），表现出类组织柔软度，适用于生物电子应用。它们可分为天然水凝胶（如明胶和藻酸盐）和合成水凝胶（如聚丙烯酰胺（PAAm）和聚乙烯醇（PVA））。天然水凝胶通过非共价相互作用形成物理交联网络，具有优异的顺应性和生物相容性，其固有的生物降解性使得无需手术移除即可实现临时植入。合成水凝胶通常依赖化学交联形成聚合物网络，例如 GelMA 通过引入甲基丙烯酸酯基团实现共价交联，在保留细胞结合位点的同时提高机械强度和稳定性。

弹性体具有较高的杨氏模量（10⁵-10⁷ Pa），能够承受重复机械变形而不会出现显著的结构疲劳，适用于动态生物环境。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是美国食品药品监督管理局（FDA）批准的化学交联弹性体，其硅氧烷主链赋予其光学透明性、化学惰性、气体渗透性和生物相容性。Ecoflex 是另一种硅基弹性体，具有超低杨氏模量（约 10² Pa）和高拉伸性（>500%），可实现与软组织的紧密集成。物理交联弹性体如苯乙烯嵌段共聚物（SEBS 和 SBS）通过微相分离实现弹性，其中硬段作为物理交联点，提供韧性、拉伸性和溶剂可加工性。聚氨酯（PU）包含交替的软段（聚醚或聚酯）和硬段（氨基甲酸酯键），通过氢键进行物理交联和通过脲基甲酸酯键进行化学交联，其机械和化学性能可通过调节软硬段比例来调整。

纳米填料材料的性能

纳米填料的特性对纳米复合材料的性能起着决定性作用。金属基填料（如金纳米线和银纳米片）通常表现出高电导率和优异的电荷转移能力，一维金属纳米线易于在基质内形成渗流网络。碳基纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）提供优异的机械性能和中等电导率，但其生物相容性因结构、表面化学和纯度而异，目前尚未获得 FDA 或 ISO 批准用于长期植入式生物医学应用。液态金属基纳米材料（如 EGaIn 和 Ga）因其 exceptional 的流动性和金属级电导率（通常在 8000 S/cm 至 21000 S/cm 范围内）而成为有前途的纳米填料，但其疏水表面和较差的生物界面相容性使其不适合直接暴露于生物组织，需要稳定的封装以防止泄漏。导电聚合物（如 PEDOT:PSS、MXene 和 PANI）提供了电导率、机械延展性、可调电化学特性和易于加工的综合优势，但其固有的低拉伸性限制了它们在高度可变形生物电子系统中的应用。

赋予功能的纳米复合材料形成策略

电学功能

高性能软生物电子需要高电导率和低阻抗等关键电学功能。高电导率对于将生物电子接口捕获的电信号快速有效地传输至处理单元至关重要，从而实现生物电活动的准确记录和高效电刺激，最大限度地减少电阻损耗并降低总体功耗。低界面阻抗促进了生物组织中的离子电流向设备中电子信号的转换，不仅提高了信号采集和刺激的保真度，还减少了热噪声，抑制了不必要的法拉第反应，并改善了电容电荷注入。

增强纳米复合材料电学性能的最有效策略之一是对纳米填料进行结构改性。通过设计其形态或表面化学，可以显著提高复合材料的电导率。例如，Lim 等人通过将晶须化金纳米片均匀分散在薄型 Ecoflex 薄膜和坚韧水凝胶基质中，开发了一种高度可拉伸和可打印的纳米复合材料。晶须化金纳米片在高水合水凝胶环境中保持了强大的互连，形成了在机械拉伸过程中保持完整的稳健渗流网络，实现了 3304 S/cm 的最大电导率。Park 等人开发了一种由银纳米线（AgNWs）和 SBS 橡胶均质纳米复合材料组成的心外膜网状结构，特别引入了配体交换的 AgNWs（LE-AgNWs），通过用十二烷硫醇取代聚乙烯吡咯烷酮（PVP）来实现其在 SBS 有机相中的均匀分散，从而提高了 LE-AgNW/SBS 纳米复合材料的电学性能。

混合填料也被认为是一种有前途的策略，因为简单地组合两种或更多种填料可以增强电导率（超越传统的单组分纳米填料）。这种多维结构导致了致密且互连的通路，即使在填料浓度相对较低的情况下也能显著提高整体电导率。例如，Matsuhisa 等人通过将微米级银片与氟化弹性体和表面活性剂共混，实现了银纳米颗粒的原位生成，制备了一种可打印和可拉伸的导体，其电导率超过 4000 S/cm（最高达 6168 S/cm），并在 400% 应变下保持了约 935 S/cm 的电导率。Yue 等人证明，将可拉伸性和电导率（STEC）增强剂（由离子添加剂促进）加入 PEDOT:PSS 基质中，可产生具有 exceptional 电导率（在 100% 应变下 >4100 S/cm）和机械拉伸性的薄膜。Seol 等人通过同时使用碳基和导电聚合物基填料，实现了 1010 S/cm 的电导率。

降低接触阻抗的策略可分为填料的导电涂层和填料与基质之间界面结合的优化。使用低阻抗材料（如 PEDOT:PSS）在填料表面施加导电涂层，通过增强界面电容和促进电极-组织界面处的离子-电子电荷转移来降低电极阻抗。Sunwoo 等人证明，铂基纳米线和原位 Pt 纳米颗粒通过利用 Pt 的高表面积和电荷转移特性降低了阻抗。Decataldo 等人通过将微裂纹金膜与 PEDOT:PSS 基涂层集成，开发了一种可拉伸的低阻抗电极，通过优化聚合物层特性增强了离子-电子耦合。Tondera 等人通过使用界面聚合法将 PEDOT 嵌入锂皂石-聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶基质中，实现了低阻抗。除了表面涂层之外，最近的策略强调界面结合优化，其中聚合物在基质内的分布对阻抗性能至关重要。Shin 等人使用 PANI 改性的 PEDOT:PSS 开发了一种导电聚丙烯酰胺水凝胶，实现了低阻抗（~21 Ω at 1 kHz）和高电导率（~24 S/cm）。共掺入建立了一个三维导电网络，实现了快速电荷传输。Lim 等人通过冷冻干燥将 PEDOT:PSS 掺入 PAAm 水凝胶基质中，创建了一种低阻抗导电水凝胶，产生了具有增强电学性能的复合材料。

机械功能

考虑到生物组织固有的低模量，植入式生物电子设备必须表现出机械相容性并与组织形成稳定粘附，以确保长期的保形集成。组织-设备接口处的机械失配可能引发慢性炎症，最终导致纤维化封装，逐渐损害设备的功能稳定性。此外，相对于器官的动态变形，拉伸性不足可能导致分层，随着时间的推移影响设备性能。因此，材料必须表现出低弹性模量以增强机械顺应性，或被设计成与软组织形成牢固粘附以保持紧密接触。

一种关键策略是将填料均匀分散在基质中，以实现应变下的均匀应力分布，从而增强纳米复合材料的整体机械拉伸性。例如，Kim 等人通过将银片均匀分散在薄型 Ecoflex 薄膜和坚韧水凝胶基质中，开发了一种高度可拉伸和可打印的纳米复合材料。该坚韧水凝胶基于双网络含水聚合物，表现出卓越的拉伸性，超过 2000%，而 Ecoflex 本身可以拉伸超过 700%。银片均匀分散后，所得纳米复合材料保持了高机械顺应性，实现了超过 1780% 的拉伸性。为了避免将各种填料掺入水凝胶时可能出现的 inhomogeneity 等问题，Lu 等人制备了一种纯 PEDOT:PSS 水凝胶，由互连的 PEDOT:PSS 纳米纤丝网络组成，无需共混其他组分。通过优化二甲基亚砜（DMSO）添加剂的量并采用受控的干退火工艺，他们将 PEDOT:PSS 水凝胶的机械拉伸性从约 10% 提高到约 35%。除了填料分散之外，通过结构技术（如静电纺丝）控制填料的空间分布提供了另一种有效的策略。Zheng 等人通过设计具有半嵌入液态金属颗粒（LMPs）的电纺聚合物纤维，解决了液态金属颗粒（LMPs）与聚合物基底之间较差的界面粘附问题，从而通过结构限制增强了填料-基质的集成。

此外，修改基质结构本身可以提高填料-基质的适应性和整体拉伸性。例如，Jiang 等人设计了一种 SEBS 热塑性弹性体基质，与热蒸发金纳米颗粒（AuNPs）形成互穿结构，产生了结构集成的纳米复合材料界面。在这种配置中，AuNPs 部分嵌入基质中，部分暴露在表面，形成双相界面层。这种配置不仅促进了有效的纳米颗粒掺入，而且建立了通过复合材料的连续机械通路，最终增强了其拉伸性和机械弹性。在另一个例子中，Xu 等人开发了一种多孔聚合物基质，旨在消散机械应力并适应导电填料中应变引起的几何变化。使用原位相分离，能够快速组装微尺度 AgNWs 并沿孔表面形成自组织的渗流网络。所得纳米复合材料实现了高电导率（6420 S/cm）和优异的拉伸性（600%）。

为了实现保形接触和稳定的组织-设备接口至关重要——特别是对于需要高信号保真度和涉及长期功能稳定性的应用。接口处的分离可能导致功能失效，阻碍可靠的设备性能。实现稳定粘附的策略大致可分为化学键合和机械互锁机制。

Yuk 等人展示了干手术胶带（DST）设计的稳定粘附机制。该过程始于与组织接触时的界面水脱水，通过氢键和范德华力实现快速的物理相互作用。随后，DST 与组织表面胺基之间发生共价交联，增强了界面。这种两步过程确保了在生理条件下用于 robust 组织密封的快速锚定和长期稳定性。将功能性基团（如 NHS-酯和儿茶酚）引入软纳米复合材料中，能够与组织表面形成牢固稳定的共价键，从而显著增强生理条件下的界面粘附。Jin 等人开发了一种由甲基丙烯酸化透明质酸与苯基硼酸（MeHAPB）共聚物和原位聚合的聚吡咯（PPy）组成的纤维状水凝胶神经绷带，通过化学键合策略实现组织粘附。该绷带可保形地粘附于神经组织，无需缝合，实现了稳定的包裹和电传导，支持体内功能性神经再生。

机械互锁是另一种有效的粘附策略。Ho 等人引入了一种仿生方法，模拟 hierarchical 结构以实现组织表面互锁。在仿生粘附策略中，壁虎脚的结构是机械互锁的一个代表性例子。壁虎表现出在垂直甚至倒置表面上粘附和移动而不会脱离的非凡能力。这种能力源于其脚垫的特殊结构，该结构由分层排列的皮肤脊组成，密集地填充着基于角质的微观 setae。每个 seta 分支成数百个纳米级的 spatula，形成一个分层的微柱阵列。这种结构设计 dramatically 增加了有效接触面积，并实现了与表面不规则性的紧密物理接触，促进了 robust 的范德华相互作用。因此，壁虎的脚通过纯粹的物理机制实现了与各种干燥表面的牢固、可逆粘附，而无需化学键合。

仿生机械互锁的另一个代表性例子可以在章鱼触手的粘附结构中找到。每个触手都配备有多个吸盘，这些吸盘包含中空的圆顶状腔体，其髋臼顶部有一个中央突起。在附着过程中，这种突出结构将流体压缩到两个上腔室中，而周围弹性肌肉组织的收缩扩大了内部腔体积。这种体积膨胀产生了负压差（P_腔体 < P_外部），导致与基底的牢固粘附。相反，肌肉壁的松弛减少了腔体积（P_腔体 ≈ P_外部），从而降低了粘附强度并实现脱离。这种可逆的压力驱动粘附机制已成功模仿用于开发智能、可调的组织粘附接口。例如，Baik 等人在粘附贴片上设计了圆顶形微结构以增强界面吸力。这些微米级的突起显著改善了吸力诱导的粘附。所得的仿生系统在一系列表面（包括硅片、玻璃和纹理化皮肤）上表现出牢固、可逆和高度可重复的粘附，即使在干燥、潮湿、水下等 challenging 环境中也是如此。

附加功能

除了电学和机械性能之外，自愈能力和抗异物反应（FBR）是支持可靠生物集成的关键特性。自愈在动态生理条件下维持长期功能方面起着关键作用，因为它允许材料从外部诱导的损伤中自主恢复。根据是否存在单独的愈合剂，自愈策略通常分为外源性和内源性方法。在外源性系统中，愈合剂预加载到微胶囊或微血管网络等载体中，并在机械损伤时释放，引发聚合或其他反应以恢复材料完整性。相比之下，内源性自愈利用可逆键合机制——如动态共价键或超分子相互作用——无需外部试剂即可实现重复自修复。

Song 等人受皮肤热感应系统启发，开发了一种热电聚合物复合材料（TPC），该材料集成了自愈聚合物基质、导电纳米填料和无机热电颗粒。所得材料表现出卓越的拉伸性（1197%），并在损伤后保持了热电功能。自愈行为由内源性机制驱动，涉及聚合物链相互扩散和 PDMS 基自愈聚合物（SHP）基质内的可逆超分子相互作用（如氢键和 π-π 堆积）。损伤发生时，聚合物链在断裂界面处动态重构，而导电填料通过电助推恢复渗流路径。

在另一个例子中，Song 等人开发了一种自适应自愈电子神经外膜（A-SEE），通过动态应力松弛和利用防水内源性自愈材料实现自锁定，从而实现无压缩应力和应变不敏感的神经接口。它通过 SHP 基质中的聚合物链相互扩散和可逆超分子相互作用表现出内源性自愈，允许机械和电功能在没有外部刺激的情况下自主恢复。

其次，抑制或减轻 FBR 对于保持设备性能和确保长期可靠性及生物相容性至关重要。植入后，宿主免疫系统将设备识别为异物，触发一系列生物防御机制，统称为 FBR。它包括急性和慢性炎症，随后在植入物周围形成致密的纤维化囊，阻碍信号传输并使设备功能恶化。已提出两种主要策略来减轻 FBR：物理上最小化组织-设备间隙以增强保形集成，以及化学上采用通过抑制巨噬细胞活化或通过侧链功能化下调炎症生物标志物表达来减轻 FBR 的材料。

例如，Wu 等人展示了一种粘附性植入物-组织接口，通过限制炎症细胞浸润，在多种动物模型（如大鼠、小鼠、人源化小鼠和猪）中有效抑制了纤维化封装，与非粘附接口相比。Li 等人引入了一种分子工程策略，将免疫调节功能直接纳入半导体材料的聚合物主链和侧链中，导致异物反应显著减少，胶原沉积减少高达 68%。在主链中掺入硒酚提供了活性氧（ROS）清除能力，减弱了巨噬细胞活化。同时，用三唑-四氢吡喃（THP）和三唑-thiomorpholine 1,1-二氧化物（TMO）进行侧链功能化显著下调了炎症信号传导。这种双重修饰方法导致胶原沉积大幅减少——高达 68%——与对照材料相比。Zhang 等人还引入了聚-DL-丝氨酸（PSer）水凝胶，该水凝胶利用 L-和 D-丝氨酸的平衡掺入来破坏 β-折叠形成。这种构象提高了水溶性并减少了炎症反应。丝氨酸固有的生物相容性 combined with 无序结构，有助于最小化炎症细胞浸润和细胞因子表达，提供了减轻 FBR 的有效策略。

对于体内长期应用，材料特性如生物相容性、抗膨胀能力和材料稳定性也是植入式设备所要求的。Deng 等人引入了一种电子生物粘合剂（e-bioadhesive），由嵌入 PVA、PAA、NHS-酯水凝胶基质中的还原氧化石墨烯（rGO）纳米材料组成。e-bioadhesive 界面中的羧酸基团和 NHS-酯基团分别通过形成物理交联和共价交联促进与组织的稳定粘附。由于其强粘附性和 rGO 的高电导率，e-bioadhesive 的性能在动态环境下保持良好。此外，水凝胶纳米复合材料的低模量确保了其组织相容性。通过体外和体内评估了该系统的生物相容性。细胞培养 24 小时后，共聚焦成像显示与对照组相比，细胞毒性无显著差异。组织学评估还显示，使用和不使用 e-bioadhesive 的炎症水平相当，没有严重炎症反应的迹象。

抗膨胀特性对于掺入水凝胶基质的纳米复合材料尤为重要，这些基质 inherently 容易吸水。虽然水凝胶的膨胀行为（其显著特性）具有促进营养运输、吸收渗出液和 enable 药物扩散等优点，但过度膨胀可能显著损害设备-组织粘附和机械稳定性。为了解决这个问题，Li 等人提出了一种 PCPP-D&S 水凝胶（由 PVA、CNF 和 PEDOT:PSS 组成，经过干燥和再水合过程），具有致密的氢键网络和结晶域。这种循环制造过程产生了高度 compact 的微观结构形成，有效最小化了吸水率，并在 72 小时的膨胀下保持了稳定的水合水平。

最后，材料稳定性不仅对于保持软生物电子设备的功能完整性至关重要，而且对于确保在生理环境内长期植入的安全性也至关重要。考虑到聚合物复合材料的结构，其中填料材料掺入聚合物基质内，填料材料可能很容易从复合材料中释放出来，因此已经提出了几种方法来防止相关的副作用。例如，常用的导电填料银片在直接暴露于生物环境时容易氧化和释放有毒的银离子，这会损害电学性能和生物相容性。Seo 等人通过用金纳米壳（AuNS）封装银片解决了这个问题，形成了抵抗氧化和离子浸出的核壳结构。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）显示，与未涂覆的银片相比，AuNS-银片在氧化条件下和长期暴露期间释放的银离子量可忽略不计。这些结果表明，AuNS 封装显著增强了生物相容性和长期材料稳定性。

纳米复合材料的体内演示

软纳米复合材料在植入式生物电子学领域，特别是在心脏、大脑和神经接口方面，是很有前途的材料。每个器官系统都提出了独特的挑战，由于机械性能、信号特征和潜在生理机制的不同。这些特征包括电生理信号的频率和幅度、生化物质类型以及器官特定功能，如心脏的节律性收缩、神经网络的电化学信号传导以及大脑中复杂的信息处理和整合。此外，有效接口的时空分辨率因目标组织而异，需要定制的材料设计、信号采集策略和调制方法。为了满足这些多样化的需求，必须仔细设计纳米复合材料，定制纳米材料、基质和适当工程策略的选择。此外，必须优化设备架构和植入方法以适应解剖学约束并确保可持续的生物接口。通过调整这些参数，软纳米复合材料已在广泛的生物电子应用中展现出巨大潜力，如下节所述。

心脏应用

心脏的连续节律性收缩和各向异性运动阻碍了稳定的生物电子接口。有效监测心脏电生理（如心律失常检测、梗死定位、功能障碍诊断）以及通过起搏或阈下刺激进行精确调制，需要能够顺应柔软曲线组织同时保持机械相容性、信号保真度和长期稳定性的设备。虽然传统的刚性设备经常遭受机械失配和高阻抗之苦，但软纳米复合材料提供了拉伸性、强组织粘附性和低阻抗接口，实现了可靠的记录和刺激，这对于高级心脏疗法至关重要。

软纳米复合材料的最新进展使得可拉伸心外膜多通道电极阵列的开发成为可能，为诊断和治疗心血管疾病提供了新策略。例如，Sunwoo 等人引入了一种 32 通道阵列，集成了热塑性聚氨酯（TPU）、Ag-Au 纳米线和 PEDOT:PSS 复合材料，允许精确绘制心室激活图以识别心肌梗死后与室性快速性心律失常（VTA）相关的区域。基于此映射，已应用顺序阈下刺激以有效终止临床前模型中的心律失常发作。值得注意的是，纳米复合材料电极的低阻抗实现了局部化、节能的刺激，减少了疼痛和组织损伤，同时保持了正常的心脏功能。与提供高能量电击的传统植入式心律转复除颤器相比，这种基于软电子的方法为管理 VTA 提供了一种更安全、更少痛苦且更有效的替代方案，突显了纳米复合材料集成系统在动态心脏环境中的临床潜力。

基于晶体管的有源设备的开发为高保真电生理记录开辟了新的可能性。例如，Guan 等人开发了一种本征可拉伸有机电化学晶体管阵列，该阵列采用 AuNP-AgNW/PDMS 复合材料作为导体，以及半导体聚合物（如 P3HT）与弹性体材料的共混物作为半导体沟道。这种架构使得橡胶状有源矩阵能够集成到弹性心脏贴片中，成功放大和记录了大鼠心脏的详细电生理信号。通过支持高密度、多通道集成，有源阵列配置允许跨多个心脏区域同时监测，实现全面诊断和更精确的靶向治疗。

心脏生物电子学的另一个关键要求是维持稳定的组织-电子接口，鉴于心脏的连续节律性运动和富含液体的湿滑环境。强粘附对于应对这一挑战至关重要。如前面章节所述，可以采用化学键合和机械互锁等策略来实现与心脏组织的稳健集成。例如，Lim 等人开发的金纳米片-水凝胶复合材料无需缝合即可紧密粘附在跳动的心脏上，为长期、稳定的生物电子接口提供了一种有前途的方法。

尽管软纳米复合材料显著提高了心脏生物电子学的保真度和功能性，但一些挑战仍未解决。一个关键优先事项是开发微创部署策略以降低手术风险并提高临床可及性。此外，未来的努力应专注于增强长期稳定性和最小化生物污染和纤维化封装。可扩展的制造技术对于促进广泛临床转化也至关重要，不仅对于心脏应用，而且对于其他机械动态器官系统也是如此。

大脑应用

大脑为生物电子集成提供了一个独特的挑战性环境，因为其机械 delicacy、免疫敏感性和对高分辨率、多模式访问的需求。首先，脑组织具有超软、粘弹性 nature，弹性模量约为 1 kPa，比心脏或骨骼肌组织更软。这种极端柔软性，加上大脑的复杂解剖结构和有限的颅内空间，需要高度顺应性、可拉伸和超薄接口，能够顺应复杂几何形状。其次，慢性植入面临相当大的挑战，因为大脑对外来材料的敏感性以及血脑屏障的存在，使其容易发生胶质瘢痕形成和神经炎症。这突显了对具有长期生物相容性、防污性能和结构稳定性的生物电子材料的需求。第三，电生理信号通常以低振幅（μV 范围）出现，需要高时空分辨率，这推动了能够解析单神经元活动的低阻抗、低噪声和高密度电极阵列的开发。最后，大脑需要多模式接口能力，例如并发光学 interrogation（如钙成像和光遗传学）和神经递质的生化传感，这需要透明、多功能和化学选择性的系统。这些要求使得软纳米复合材料成为下一代脑接口的有前途的材料。

为了解决这种机械失配并维持稳定的组织接触，Tringides 等人使用水凝胶纳米复合材料开发了一种完全粘弹性皮层电极阵列。具体来说，该设备采用离子导电藻酸盐水凝胶，并用碳纳米材料增强作为导体，从而在低填料浓度下实现电渗流。整个电极阵列被封装在一个与脑组织刚度和松弛行为密切匹配的粘弹性水凝胶基质中。使用光遗传学刺激的 Thy1-ChR2 小鼠进行的体内实验证明了在皮层表面上稳定记录诱发电位的能力。记录的信号幅度随激光位置和强度而变化，证实了该阵列在结合光学刺激进行空间分辨神经记录的能力。这种方法突显了机械顺从性在实现 delicate 神经结构可靠集成中的关键作用。

为了多模式和高分辨率映射神经活动，Renz 等人开发了一种柔软、透明的皮层脑电图（ECoG）记录设备，称为“Opto-e-Dura”。该设备将金纳米线互连和铂电极嵌入 PDMS 基底中，提供了优异的光学透射率和机械灵活性。该阵列支持同步的宽场双光子钙成像和电生理记录。通过体内实验，该设备能够在皮层表面以下高达 400 μm 的深度进行高分辨率双光子钙成像，而不会引入光学和电学伪影。这些结果证实了同时进行单细胞光学成像和多通道电记录的能力，具有高时间分辨率。该系统展示了纳米复合材料集成的软接口如何能够实现可扩展和多模式的脑接口。

除了电生理信号外，化学信号在中枢神经系统（CNS）中起着关键作用。为了实现实时生化传感，一种称为“NeuroString”的组织模拟神经接口被开发出来，使用激光碳化过程，在软弹性体基质内形成石墨烯-金属纳米颗粒（Fe₃O₄ 或 NiO）网络。NeuroString 能够在小鼠的脑和胃肠道组织中进行慢性、多重和实时监测单胺神经递质，如多巴胺和血清素。该设备在光遗传学刺激和药理学调制期间实现了亚秒级分辨率的化学传感，突显了其在研究 CNS 和肠神经系统之间通信方面的潜力。这一进步强调了软纳米复合材料在实现机械顺从性和支持生物环境中可靠电化学转换方面的能力。

尽管取得了这些进展，长期稳定性仍然是软神经接口临床转化的主要瓶颈。虽然机械顺从性减少了急性损伤并实现了数天至数周内的信号稳定性，但长期植入受到生物封装、材料降解和免疫排斥的阻碍。大脑的封闭环境和严格的免疫控制要求材料能够同时最小化胶质反应并在数月到数年内保持机械和电学完整性。未来的努力必须专注于设计具有超低模量、自愈和防污特性以及可靠封装策略的纳米复合材料。应对这些挑战对于释放软生物电子在慢性脑机接口和神经治疗应用方面的全部潜力至关重要。

周围神经应用

与周围神经系统（身体 essential 的通信网络）接口提出了 distinct 的机械挑战。与中央器官不同，周围神经嵌入在经历持续拉伸、弯曲和扭转的肌肉骨骼组织中，通常会损害传统植入物的性能和 longevity。因此，有效的长期神经调制需要接口能够保持稳定的电功能并与神经紧密接触，尽管经历重复和 substantial 的机械应变。为了满足这些需求，集成到可拉伸、抗疲劳设备架构中的软纳米复合材料已成为一种关键策略，正如最近周围神经修复术的创新所例证。

Park 等人引入了应变不敏感生物电极（SIB），该电极将高性能但 inherently 脆性材料（如氧化铱（IrO_x）、金和铂）用于神经接口，与由各向异性导电膜、AgNWs 和聚氨酯丙烯酸酯制成的