《SmartMat》：Flexible Implantable Brain-Computer Interface Electrodes: Advances in Materials and Structural Design
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植入式脑机接口正在经历从刚性硅基架构向柔软、结构自适应系统的范式转变，此类系统能够与神经组织实现无缝、长期整合。在材料科学和微/纳加工技术突破的推动下，这些下一代系统实现了前所未有的机械顺应性（mechanical compliance）、稳健的界面粘附性以及
植入式脑机接口正在经历从刚性硅基架构向柔软、结构自适应系统的范式转变，此类系统能够与神经组织实现无缝、长期整合。在材料科学和微/纳加工技术突破的推动下，这些下一代系统实现了前所未有的机械顺应性（mechanical compliance）、稳健的界面粘附性以及高保真神经记录能力。本综述全面总结了推动这一演进的材料与结构创新。我们按照电极维度对近期发展进行了系统分类：用于微创深脑靶向的一维（1D）纤维、用于大面积皮层图谱绘制的二维（2D）柔性阵列，以及用于体积极记录与刺激的三维（3D）微结构。至关重要的是，我们审视了结构工程与先进功能材料（如导电聚合物（conductive polymers, CPs）、碳纳米材料（carbon nanomaterials）和生物来源水凝胶（bio-derived hydrogels））之间的协同作用，以优化神经界面并抑制神经炎症级联反应。我们进一步探讨了新兴动态系统（包括刺激响应型（stimuli-responsive）、自修复型（self-healing）和生物可吸收型（bioresorbable）材料）如何赋予自适应功能以维持长期运行。我们还讨论了电、光、声学多模态集成，以及当前在微型化、标准化和临床转化方面的努力。最后，我们展望了面向智能化、生物可吸收及AI集成神经界面的未来方向，这些界面有望实现与人脑的无缝双向通信。
1 引言
脑机接口（Brain Computer Interfaces, BCIs）通过解码和调节神经活动，促进人脑与外部设备之间的双向信息交换，从而增强感觉、运动和认知功能。与非侵入式BCIs相比，植入式BCIs能够以更优的信噪比（signal-to-noise ratios, SNR）直接捕获局部场电位（local field potentials, LFPs）和单神经元峰电位，实现精确的神经解码与刺激。植入式电极作为产业链上游的关键基础组件，已成为亟需突破的核心技术领域。
侵入式BCIs对植入电极材料提出了严格要求，不仅需要优异的生物相容性，还需具备与柔软神经组织的机械顺应性以及长期功能稳定性。金属和无机半导体材料被用作侵入式BCI电极，如硅基犹他阵列（Utah arrays）和金属微丝电极，因其优异的化学惰性和电学性能。然而，刚性电极的杨氏模量（Young's modulus，约50–200 GPa）与柔软脑组织（约10 kPa）之间存在显著的机械失配。这种显著的机械失配可能导致微动引发的炎症、胶质包裹以及记录性能随时间的逐渐退化。此外，这些电极的刚性几何结构限制了其与弯曲、搏动的脑表面实现稳定长期整合的能力。材料科学和微加工技术的最新进展推动了从刚性和静态设计向柔性、可拉伸甚至瞬态神经电极的范式转变，这些电极能够紧密模拟神经组织的机械和生物学特性。导电聚合物（conductive polymers, CPs），如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）和聚吡咯（polypyrrole, PPy），具有低阻抗和增强的电荷注入能力。碳纳米材料，包括石墨烯和碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs），提供了出色的柔性和导电性。可生物降解和仿生基底材料，如丝素蛋白（silk fibroin, SF）、细菌纤维素（bacterial cellulose）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚酰亚胺（polyimide, PI）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS），进一步促进共形组织整合并减少慢性免疫反应。同时，基于水凝胶的涂层和复合材料改善了界面粘附性，并可掺入抗炎或神经营养因子以实现局部治疗调节。除了材料选择，电极的结构维度——从一维（1D）纤维到二维（2D）薄膜再到三维（3D）架构——在决定记录精度、空间覆盖和植入稳定性方面起着决定性作用。1D纤维和微丝探针适用于深部脑刺激（deep brain stimulation, DBS）（针对具有特定功能的皮层下脑区），可实现微创创伤。2D柔性薄膜和网状电子器件提供大面积、共形的皮层图谱绘制，具有高时空分辨率。3D微结构阵列和可展开探针实现体积极记录和刺激，具有增强的电荷存储容量和优越的SNR。新兴的动态和智能材料正推动神经界面走向主动适应性。生物可吸收系统消除了短暂运行后手术移除的需要。刺激响应型和自修复水凝胶根据生理信号动态调整机械刚度、导电性或药物释放，延长功能寿命并改善慢性生物相容性。此外，电、光和超声模态的多模态集成正在扩展神经界面功能，实现闭环调节和精确、微创神经调节。
2 1D电极：用于微创深脑接口的纤维和微丝
1D电极，如金属微丝，代表了早期用于深脑记录和刺激的植入工具。这些电极具有小直径、可穿越迂曲路径，并实现微创插入和治疗后取出。
2.1 金属/复合纤维
金属具有高导电性和物理化学稳定性，但其刚性可能损伤神经组织。为克服此限制，近期研究聚焦于将金属导体与软基质集成。一种代表性策略是将金属纳米结构与弹性体纤维结合，以克服柔性与导电性之间的权衡。例如，Won等人引入了一种由嵌入弹性体纤维中的金纳米颗粒（AuNPs）组成的新型电极。通过控制制造过程中的浸出时间，AuNPs主要分布在纤维表面，表现出高导电性（7.68 × 104 S/m）和低杨氏模量（170 kPa），确保超过4个月的植入。此外，金属纤维上的聚合物涂层，如PEDOT或水凝胶层，进一步改善了机械顺应性和界面稳定性。液态金属（liquid metals, LMs）——镓（Ga）和Ga基低熔点合金，可作为神经信号记录的替代金属材料。Wen等人利用LM的固-液相变特性，证明了探针在体温下的刚度（E~1 MPa）比30°C以下低五个数量级（E~10 GPa）。此方法为在最小化机械失配的同时实现深脑植入提供了一种新途径。
2.2 碳基纤维
碳基纤维（CNT纤维、石墨烯纤维、超细碳纤维）具有超小直径、高导电性、柔性和生物相容性。CNTs（圆柱形1D碳材料，具有纳米级直径的材料）可实现纤细的神经信号检测电极。Kipke等人制造了约8.5 μm的Parylene-N涂层碳纤维探针，植入大鼠运动皮层1.6 mm深，出血有限，实现了稳定的5周神经元记录。石墨烯和还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO）是BCIs中突出的2D纳米材料，因其优异的机械稳定性、电导率和生物相容性。Wang等人制造了由石墨烯纤维（GFs，宽度20–40 μm）组成的柔性、自支撑微电极阵列，并带有200 nm厚的Pt涂层作为神经植入探针，在神经记录中实现了9.2 dB的高SNR。为更好地适应脑微动，Li等人开发了一种模拟组织、可拉伸1700%的“NeuroString”，由嵌入SEBS弹性体中的聚酰亚胺/多孔石墨烯纳米纤维组成，解决了石墨烯在低于5%应变下开裂的问题。
2.3 聚合物纤维
CPs已广泛用于神经界面，用于记录各种脑信号，包括峰电位、LFPs和ECoG。由于CPs具有离子-电子传导和π共轭主链，增强了电极与组织界面的电荷转移，且其优异的生物相容性支持稳定、长期植入。Zhang等人采用湿法纺丝方法制造了纯PEDOT:PSS纤维微电极。电极在室温下的电导率高达3667 ± 297 S/cm，表现出更优的SNR。在整个4周的植入期内，光谱形态观察到微小波动，表明胶质瘢痕形成和神经元损伤程度较低。CPs通常用作电极涂层，以限制氧化剂进入并防止金属表面腐蚀。
2.4 水凝胶基纤维电极
水凝胶是由水性电解质组成的三维聚合物网络，具有组织样特性和离子电导率。功能填料掺入可缓解BCI关键挑战，实现高质量神经记录和长期植入。基于CP的水凝胶纤维电极具有电子-离子双传导路径，能够实现稳定、高保真生物电信号传输，使其在神经接口方面具有前景。Shen等人开发了一种拓扑水凝胶神经探针，具有低杨氏模量（45 kPa），与脑组织（1–3 kPa）紧密匹配，电导率高（27 S/m），可实现8周的慢性脑监测。Liang等人提出了一种水凝胶，通过掺入导电PPy修饰的微凝胶作为交联剂，平衡机械模量匹配、导电性和透明度之间的权衡。除CPs材料外，CNTs也用于制造导电水凝胶。Tang等人利用钙交联海藻酸钠的吸湿膨胀特性，使探针弹性模量在植入后从约10 GPa降至约10 kPa。
3 2D电极：用于大面积皮层图谱绘制的柔性薄膜和网状电子器件
2D柔性电极已成为皮层表面接口的关键平台，提供大面积覆盖、高共形性和机械柔软性，在ECoG记录期间最大限度地减少组织刺激。本节根据2D神经界面在器件设计和性能增强中的作用进行组织：首先讨论在传统柔性基底上使用不同材料系统制造电极；然后通过电极结构设计实现与神经组织的机械兼容性；接着通过采用生物相容性基底材料确保界面稳定性；最后探索基于薄膜晶体管（thin-film transistors, TFTs）的有源电极阵列等系统级集成技术，以实现高密度皮层图谱绘制。
3.1 柔性薄膜电极
柔性薄膜电极作为典型的2D神经界面，是记录大面积皮层图谱信号的基本结构。金属纳米复合薄膜是实现低阻抗最直接的方法，因为金属提供固有的高电导率。Wu等人通过原位电化学沉积和自组装开发了PEDOT/3-巯基丙酸-Au薄膜（PEDOT/3-MPA-Au），实现了12周的植入，具有低阻抗和良好的生物相容性。为解决刚性导体与软组织之间的机械失配问题，CPs如PPy和PEDOT:PSS已被广泛探索。Bao等人开发了一种高度可拉伸、无裂纹的基于聚轮烷的可交联PEDOT:PSS薄膜。基于此薄膜，他们制造了20 μm厚的高密度可拉伸电极阵列，可共形贴合脑干，为动态皮层接口中的应变容忍导电聚合物建立了新方法。在此发展基础上，基于水凝胶的薄膜电极引入了强调组织样力学和界面粘附性的根本不同策略。Sun等人使用聚丙烯酰胺（PAM）作为主链，掺入胸腺嘧啶（Ta）和PEDOT，设计了一种高粘附性和导电性水凝胶，有效减少ECoG记录期间的运动伪影。
3.2 超柔性网状电极
与薄膜电极相比，网状电子器件代表了一种结构优化策略。其关键特征包括超柔性力学、高度多孔的开孔网状架构和神经元尺度尺寸。这些特性有效减少了与脑组织的机械失配，从而最小化慢性免疫反应，并支持长期植入期间的稳定记录。Lieber及其同事开创了网状电子器件，这是一种超柔性、组织样的神经探针，可通过注射器注入大脑。网状电子器件主要由金属互连线组成，弯曲刚度极小（10?2至10?1 nN·m），与脑组织相似，导致慢性脑组织反应极小。Liu等人引入了一种开放、展开的网状结构，形成稳定的互锁网络以防止探针迁移。该网状结构可在1年植入期内跨越小鼠多个脑区，未表现出免疫反应或神经元损失。
3.3 用于共形神经接口的柔软生物相容性基底
除电极材料和结构设计外，基底材料因其实现与脑组织共形接触、组织相容性和运动伪影抑制的能力，常被视为独立的设计维度。其中，天然来源的生物聚合物因其柔性和优异生物相容性的结合而特别具有吸引力。Jiang等人制造了基于BC的薄膜电极，其模量超低，优于PI基底，提供优异的机械顺应性并能承受反复扭转。植入4周后，由于其高亲水性和柔韧性，这些电极表现出低炎症反应。SF也表现出优异的柔性和生物相容性；然而，其在水环境中易溶解或溶胀变形。为解决此问题，Wei等人增加了β-折叠结晶度以增强其在水环境中抵抗氢键破坏的能力。此外，一种由纤维素基底构建的具有足够拉伸性和柔性的Brainmask被开发出来。这种超柔软纤维素薄膜可共形贴合复杂表面，吸收并保持水分，使电极能够记录高质量ECoG信号，同时有效保护暴露于空气中的神经元。然而，缺乏粘附性的基底易受界面滑动和机械伪影影响。为解决此限制，一种结合儿茶酚修饰海藻酸水凝胶和粘塑性自修复聚合物基底的组织粘附性软基底被报道。这种粘附性电极可自主共形贴合弯曲皮层表面，抑制机械伪影，并实现稳定、高保真皮层电图记录，用于慢性记录和闭环神经调节。
3.4 基于TFT的有源电极阵列用于可扩展高密度皮层图谱绘制
除研究关键组件外，还从集成系统角度进行了研究。有源电极阵列利用TFTs将多路复用和信号路由功能直接整合到器件架构中，从而促进跨皮层区域的高密度、高质量记录。Xie等人引入了NeuroCam，一种植入式μECoG系统，将金属氧化物TFT有源矩阵架构集成在柔性基底上，实现大面积、高密度皮层图谱绘制。在兔癫痫模型研究中，该系统实现了150微米的成像分辨率。一种集成非晶IGZO TFT的柔性有源μECoG阵列在每个电极处实现时分多路复用，可在8 mm × 8 mm区域内记录256个位点。此外，金属氧化物TFT可制成透明的，便于与光学模态（如钙成像、光遗传学）集成，实现多模态皮层图谱绘制框架。Zhang等人开发了一种全透明ZnO-TFT有源ECoG阵列，可实现高质量皮层信号记录并支持同步光学模态检测。
4 3D电极：用于增强SNR和空间采样的架构
尽管平面电极能够实现大面积皮层记录，但大脑本质上是由神经元组成的三维网络。因此，3D神经电极对于实现空间分辨信号采集是必要的。本章根据电极的空间结构、植入策略和制造方法进行分类。
4.1 微针阵列
微针阵列代表了最成熟的3D神经电极类别，主要用于直接穿透神经组织以实现深度分辨记录。传统设计依赖刚性硅基微针，提供高空间精度，但存在与软脑组织的机械失配问题。近期进展强调机械顺应性和长期生物相容性。Lee等人在柔性网状基底上制造了3D微针电极，以最小侵入性共形贴合组织。Dayeh等人提出了一种具有柔性聚酰亚胺背衬的1024通道穿透硅微针阵列（SiMNA），可适应脑运动，皮层覆盖面积高达12.8 mm × 12.8 mm。除结构优化外，表面功能化在改善慢性性能方面起着关键作用。Li等人开发了一种聚苯胺-明胶-海藻酸水凝胶用于电极表面涂层，可减少瘢痕组织形成，最小化脑组织损伤并增强整体稳定性。Cai等人开发了一种负载抗炎药物地塞米松磷酸钠的水凝胶涂层，证明了药物释放电极用于长期植入的稳定性和可靠性。
4.2 流苏结构
与整体式微针阵列相比，流苏状架构采用超细丝束进行神经信号采集。这种设计确保器件在植入期间保持足够刚度，同时插入后变得高度顺应。Xie等人使用模块化纳米电子线电极（NET）阵列证明了这一概念，其中多个128通道丝模块组装成致密3D束，同时保持亚细胞尺寸和超低刚度。这些阵列能够在数月内跨毫米级组织体积记录数千个神经元。Yanik等人设计了超柔性触手电极（UFTEs），其中数十根约7 μm × 2.4 μm的丝通过可生物降解的PEG/丝胶粘合剂绑定。插入后，粘合剂溶解，实现深脑植入。Fang等人开发的Neurotassel探针使用电毛细自组装将高纵横比微丝组织成有序流苏状束。这种架构允许在内侧前额叶皮层（mPFC）中长期稳定记录神经元集群。
4.3 可展开和可变形结构
为更好地探索3D空间中的信号，另一种策略是使用可展开或可重构电极结构，这些结构可以紧凑形式植入，然后在体内展开。Yu等人开发了一种可折叠3D神经电极阵列，将表面电极与穿透探针集成在同一平台上，实现皮层表面和皮层内信号的同时记录，且组织损伤最小。研究人员还尝试集成形状记忆聚合物（SMPs）以增强植入过程中的机械适应性。例如，一种温度响应型皮层内探针可以折叠构型直接插入脑组织，插入后温度触发其转变为鱼骨状结构，实现大鼠超过10个月的稳定神经记录。Duan等人开发了一种微创可变形电极阵列（SCEAs），可通过小颅骨开口以压缩状态植入，随后展开覆盖广泛皮层表面进行大规模ECoG图谱绘制。Coles等人引入了一种折纸启发设计，压缩器件用于植入，随后通过气动（或液压）驱动在脑表面展开，实现大面积皮层覆盖。
4.4 制造实现定制化3D电极
除结构设计外，制造同样重要。特别是增材制造和微加工技术能够精确控制几何形状、分辨率和材料集成。3D打印技术能够快速原型制造符合神经组织曲率和机械性能的电极。例如，一种PEDOT:PSS-离子液体胶体（PILC）墨水已被开发用于快速打印针状电极阵列（直径80 μm，长度3 mm），具有高电导率（286 S/cm）和约50 μm的打印分辨率。这些阵列被植入小鼠海马体并连续监测6周，证明了其慢性记录潜力。
