《Biosensors and Bioelectronics》：Flexible Bioelectronic Electrodes: From Engineering Strategies to Cross-Domain Biomedical Applications
编辑推荐：
摘要在复杂的生物环境中，柔性电极作为一种关键的生物电子接口，被用于信号的记录、调控和检测。其机械柔顺性、贴合性以及可调控的电化学特性，使得柔软的生物组织与刚性电子系统之间能够实现有效耦合。然而，不同生物领域对柔性电极的性能要求及制备策略存在显著差异，而这种跨领域的设计问题至今尚未
摘要
在复杂的生物环境中，柔性电极作为一种关键的生物电子接口，被用于信号的记录、调控和检测。其机械柔顺性、贴合性以及可调控的电化学特性，使得柔软的生物组织与刚性电子系统之间能够实现有效耦合。然而，不同生物领域对柔性电极的性能要求及制备策略存在显著差异，而这种跨领域的设计问题至今尚未得到系统研究。本综述全面探讨了柔性电极的制备与优化策略，包括基于结构的设计、材料选择，以及旨在提升电荷传输效率、选择性和生物稳定性的表面功能化方法。此外，还总结了柔性电极在四个生物医学领域的应用情况，涵盖体外和体内环境下的表皮、内脏及神经系统应用。通过将设计策略与不同的生物界面需求相对应，本综述为针对特定应用场景的电极设计提供了跨领域的参考框架。同时，也对可规模化制备、长期生物整合、闭环操作以及临床转化等面临的关键挑战进行了分析，并指出了未来神经科学、材料科学与智能生物电子学融合的发展方向。
引言
在精准医疗应用中，实现跨多种生物界面的生物电信号长期稳定监测与调控是柔性电极的核心目标（Chen等人，2026；Lv等人，2025；D. Yang等人，2025）。然而，传统电极往往因其固有的刚性以及与生物组织柔软且呈弯曲结构的几何不匹配而存在局限（Wang等人，2023）。这种机械上的不匹配使得在长期植入过程中难以保持电极与组织之间的紧密可靠接触（Lv等人，2025）。尤其是周围组织的生理运动可能会在电极与组织界面引发微动，从而导致探针位移、持续的机械刺激以及相邻组织的慢性损伤（Tang等人，2023）。这些效应还可能引发异物反应，包括炎症、胶质增生和神经元丢失，进而导致信号质量随时间逐渐下降（Karumbaiah等人，2013）。因此，具有更接近生物组织机械特性的柔性电极，被视为实现稳定生物电信号采集及长期生物界面连接的理想方案（Y. Zhao等人，2025）。由于这类电极的杨氏模量较低，能够更好地适应组织的变形，从而降低界面应力、减轻免疫反应，并有助于维持信号记录的稳定性（Cho等人，2021）。
柔性电极的优化需要综合考虑多种参数，包括机械柔顺性、电气性能、空间分辨率、长期稳定性以及生物相容性。因此，电极设计需结合结构配置、材料创新以及表面功能化处理，以适应不同的生物环境与功能需求。微/纳米制造技术能够实现蛇形、网状或多孔结构，进一步提升电极的变形能力并促进其与组织的整合（Zhang等人，2018）。例如，可拉伸的网状电极在50%的压缩和拉伸应变下仍能保持稳定的阻抗（T. L. Li等人，2022）。同时，人们还将聚苯乙烯-丁烯-聚乙稀嵌段聚合物（SEBS）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及导电水凝胶等柔软可拉伸材料应用于电极的基底、导电部件和封装层中，以此减少机械不匹配并提高电极与组织的贴合度（K. Wang等人，2019；Yi等人，2023）。此外，利用纳米材料、生物活性分子以及仿生涂层进行表面功能化处理，可通过调节电极与组织之间的相互作用，进一步提升电极的长期生物相容性。经两性离子肽修饰的超柔性探针有效抑制了蛋白质的吸附，使得神经信号记录的稳定性可维持长达16周（Zou等人，2021）。
与以往主要聚焦于单一应用场景、特定材料或技术解决方案的综述不同，本综述构建了一个跨领域的框架，通过将工程策略与不同生物界面的具体需求相结合，系统地理解和优化柔性电极。首先，从技术层面出发，我们总结了基于结构设计、新型功能材料以及表面功能化的工程策略，并分析了这些策略在不同生理环境中的适用性及其优缺点与面临的挑战。随后，本文阐述了柔性电极在脑界面、周围神经界面、胃肠道以及可穿戴健康监测这四个关键领域的当前应用及其生物医学意义（见图1）。这些应用涵盖了从表皮、内脏到神经系统等多种生物环境，既包括体外模型研究，也包括体内植入实验。最后，本文总结了当前的研究现状，并探讨了未来的发展方向，尤其强调了神经科学、材料科学与临床应用之间的融合趋势。这些内容共同为下一代柔性人机界面及生物电子医学的发展提供了清晰的路线图。
章节节选
柔性电极的制备与优化
本章系统研究了柔性电极的设计方法，包括选择具有机械适应能力的结构、合适的柔性材料，以及优化电极与组织之间的界面，从而提升其在各种生物医学应用中的性能（见图2）（Liu和Fu，2025；Qi等人，2023；N. Wu等人，2021；Y. Zhao等人，2025）。
柔性电极的应用
设备结构设计与材料创新的深度结合推动了各类柔性电极的发展。在将工程策略与具体应用需求相关联的跨领域框架指导下（见表2），我们探讨了柔性电极在脑界面、周围神经界面、胃肠道以及可穿戴健康监测这四个主要领域的生物医学应用。这些应用涉及从
总结与结论
本文首先分析了传统刚性电极存在的局限性，强调了开发柔性电极的必要性。接着，从结构工程、材料创新以及表面功能化三个方面，系统总结了高性能柔性电极的制备策略及性能提升方法（见表1）。同时，也介绍了这类电极在脑神经界面、周围神经界面、胃肠道以及可穿戴设备等领域的典型应用
未来展望
尽管柔性生物电子电极领域已取得显著进展，但要在临床上广泛应用并实现商业化，仍需解决许多关键问题。如图12所示，未来的发展将致力于提升电极的精度、生物相容性、长期稳定性以及功能集成度。根据不同的应用需求，未来的电极设计还需满足多样化的要求
作者贡献说明
Xiaoyi Zuo：初稿撰写。Xiao-Dong Zhang：审稿与编辑。Liu Cong：初稿撰写。Xinyu Sun：初稿撰写。Shuangjie Liu：审稿与编辑。Hao Wang：审稿与编辑
未引用参考文献
Chen等人，2025；Cheng等人，2023；Kim等人，2025；Li等人，2022；Li等人，2022；Li等人，2023；Lin等人，2025；Liu等人，2020；Liu等人，2020；Liu等人，2024；Liu等人，2020；Liu等人，2026；Liu等人，2026；Song等人，2020；Tringides和Mooney，2022；Wang等人，2019；Wang等人，2022；Wang等人，2025；Wang等人，2025；Wang等人，2024；Wang等人，2025；Wu等人，2021；Yang等人，2025；Yang等人，2022；Zhang等人，2026；Zhao等人，2020；Zhao等
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了青年科学家A类基金[原国家自然科学基金杰出青年学者项目]（项目编号：82525035）、国家自然科学基金委员会（项目编号：82302381）、天津市优秀青年基金（2021FJ-0009）以及天津市自然科学基金（25JCYBJC00400）的资助。
Xiaoyi Zuo|Xinyu Sun|Liu Cong|Hao Wang|Shuangjie Liu|Xiao-Dong Zhang
天津大学医学工程与转化医学学院，中国天津300072
