MXene在脑机接口中的应用：一篇关键性小型综述

《Sensors and Actuators A: Physical》：MXene for brain-computer interfaces: A critical mini-review

　　

摘要

近年来，脑机接口在神经假体、康复和人机交互等领域的应用引发了广泛关注。脑机接口开发中的关键挑战之一是构建能够在神经组织与电子设备之间实现稳定高效通信的神经接口。最近，MXenes作为一种二维层状过渡金属碳化物和氮化物，凭借其独特的结构和理化特性（例如金属导电性、高机械强度、柔性可加工性以及可调的表面化学性质和生物相容性）而成为脑机接口应用的有前景材料。为阐明MXenes为何天然适合脑机接口器件，本工作综述了其合成方法、电学特性、机械柔性和生物相容性，这些特性共同满足了神经器件的关键需求，如生物界面处的电荷注入能力和长期生物相容性。随后，我们调研了基于MXenes的器件在神经记录、刺激和多功能方面的已验证应用。最后，我们讨论了基于MXenes的脑机接口所面临的挑战和前景，并简要比较了石墨烯、二硫化钼、二维有机框架等其他二维材料。本工作通过连接材料科学与神经工程，为未来基于二维材料的脑机设备发展做出贡献。

引言

脑机接口（BCI）作为一种变革性技术，能够建立大脑与外部设备之间的直接通信路径。通过解码神经信号并将其转化为可执行的指令，BCI在神经康复[1]、神经假体[2]、辅助通信[3]和人机交互[4]方面展现了巨大的潜力。近年来，信号处理、人工智能和微电子技术的进展显著提升了BCI系统的性能，加速了其实物应用从实验室演示向现实场景的转化[[5], [6], [7]]。

尽管取得了这些进展，BCI的长期性能和临床转化仍高度依赖于神经接口的质量[[8], [9], [10]]。神经电极作为生物组织与电子系统之间的关键桥梁，直接决定了信号保真度、刺激效率和器件寿命[[9], [10], [11]]。传统金属神经界面材料虽然具有优异的电导率，但常因与柔软神经组织存在机械不匹配而导致慢性炎症、胶质瘢痕形成以及信号质量的渐进性退化[10,12]。与此同时，导电聚合物已被探索用于改善机械顺应性和生物相容性，然而其有限的电学稳定性和长期耐久性仍是主要顾虑[8,10,13]。

近年来，二维（2D）材料作为下一代神经接口的有前景候选材料，受到了越来越多的关注[14]。其中，MXenes——一个快速扩展的过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族——因其金属导电性[[15], [16], [17]]、可修饰的生物适用表面化学性质[18]、优异的机械性能[19,20]以及柔性可加工性和耐久性[17,21]而尤为引人注目。这些独特的内在特性使MXenes能够形成高贴合度的生物电子界面，具有低阻抗、增强的电荷转移能力和改进的神经信号采集能力[22]。

尽管已取得相当进展，在基于MXenes的神经接口能够实现广泛应用或临床采用之前，仍有若干基本挑战亟待解决，例如氧化稳定性和长期生物相容性[23]、可扩展制造[24]以及监管审批[25]。事实上，虽然已有若干综述从不同角度讨论了MXenes的生物医学应用（图1）[18,[26], [27], [28]]，但学术界仍需一个专门且系统的讨论，聚焦于MXenes在基于BCI的生物传感器和生物电子应用中的性能表现。在本篇小综述中，我们总结了MXenes材料在BCI领域的最新进展。首先讨论了MXenes的制备策略和基本特性，随后重点介绍了基于MXenes的材料在BCI系统中的代表性应用，最后批判性地讨论了当前挑战和面向下一代MXene赋能BCI的未来展望。

各节摘要

MXenes的制备与特性

我们首先讨论MXenes的内在属性，即合成、电学、机械和生物相容性，因为这些方面构成了现有基于MXenes的BCI研究工作的机理基础，旨在从材料角度指导未来神经接口的理性设计。

MXenes在BCI中的应用

BCI从根本上依赖于信息在电极-组织界面之间的有效传输（图2）。电极性能主要由界面阻抗、电荷转移能力、信号保真度以及对生物组织的机械贴合度决定，通常通过电荷存储容量（CSC）、电荷注入容量（CIC）、电化学稳定性和组织安全性等多个方面来表征[9,10,65]。传统金属和硅电极，

挑战与前景

尽管取得了显著进展，但仍有若干基本障碍阻碍了基于MXenes的BCI的转化。

• 1)
  氧化对电学性能的影响。与许多在复杂环境中工作的含金属纳米材料类似，MXene纳米片在水溶液中[85]和富氧环境[86]中也处于热力学亚稳态，氧化作用会逐步将Ti₃C₂T_x转化为TiO₂，在数周到数月内降低电导率并增加阻抗。界面阻抗

结论

本综述探讨了围绕MXene赋能BCI的若干基本问题，包括MXenes为何对神经界面化具有前景、它们能在现有BCI系统中提供哪些优势，以及哪些因素仍在阻碍其临床转化。MXene赋能BCI的未来将不仅仅由性能的渐进式提升所决定，而是取决于一种根本性的转变，即将材料、器件和生物界面作为集成系统进行协同设计。

CRediT作者贡献声明

Xu Weimin：撰写——初稿、可视化、调查。Xu Yue：撰写——审阅与编辑、调查。Zhang Pan：撰写——审阅与编辑、调查。Liu Xin：调查。Wu Shuying：调查。Liu Ruping：撰写——审阅与编辑、资源获取、调查、资金支持获取。Dai Xiaochuan：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、资金支持获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了北京市属高校基本科研业务费（编号：Ee202510）、国家自然科学基金（编号：62371051）、北京市自然科学基金（编号：2252034）、北京印刷学院项目（编号：20190126008、编号：20190226005）、材料科学与工程学科建设（编号：21090126010）以及青海省科技厅（编号：2024-ZJ-937）的支持。

徐维敏：他是一位在材料科学和生物工程领域具有专长的学者，研究涉及MXenes材料的合成与性能以及生物传感器的开发。他拥有北京交通大学博士学位，并于2023年至2025年在北京大学材料科学与工程学院担任博士后研究助理。目前为止，他已发表约25篇SCI期刊论文。他目前在北京印刷

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