你能想象吗？在脑机接口领域，一项新的研究成果正在悄然改变着游戏规则。西北工业大学成功研发出一种微创植入式3D软凸神经微电极（Soft Microbump Electrodes，SMBE）。这项成果通过“软-柔”界面集成，实现了平面柔性电极结构三维化，能像给大脑穿上一件“自适应防护服”，缓冲颅内外压力变化，还能与硬膜/软脑组织保持弹性接触，为长期稳定获取高保真皮层脑电信号ECoG开辟了新思路，并已在npj Flexible Electronics（IF=15.5，中科院一区TOP）上发表。


脑科学研究和脑疾病治疗，都极度依赖微创植入式神经电极这个“前端侦察兵”。尤其是植入式柔性皮层微电极，在癫痫监测、运动意图解码等临床场景中，正吸引着越来越多研究者的目光。然而，一直以来，这类电极面临着两大技术“拦路虎”。一方面，要实现电极-组织的近距离接触并非易事，空隙引入的空气，会让接触阻抗和位点串扰增大，严重影响脑电信号采集质量和电刺激空间分辨率。另一方面，电极与组织的机械性能匹配也是难题，材料得柔软、精度要优良、强度还得可靠，这样才能缓冲颅内外压力变化，降低组织出血、炎症等风险。


现有的研究大多聚焦于通过材料来让电极与组织实现保形接触，可电极-组织的缓冲接触却常被冷落。就像在实验动物中，常用牙科水泥固定柔性薄膜电极，或者用盖玻片作观察窗，还有原始骨瓣密封法。但这些方法中的刚性盖板，都会给下方的软脑组织带来压力，炎症或组织损伤的风险如影随形。后来，有研究人员尝试添加明胶压缩海绵等，或用软人造硬脑膜代替刚性玻璃，可由内而外的压力同样不可小觑，颅内压变化和脑微运动导致的电极-组织相互作用依旧棘手。


为提高电极-组织界面的电子-离子导电性，三维凸出结构的微电极点应运而生。相比传统二维平面电极，它能让电极与皮层信号源距离更近，信号质量、刺激空间选择性都能提升，接触阻抗和电极位置串扰也会降低。但现有的3D凸起微电极，要么高度有限，要么缺乏弹性接触变形能力。


SMBE：3D软凸神经微电极的独特设计


西北工业大学此次研发的SMBE，是一种基于聚酰亚胺的3D电极阵列，有4个通道，还能按需扩展。它包裹在高度约330微米的柔软硅胶微凸起表面，这个高度可是远超多数现有3D凸起微电极。它不仅有出色的缓冲接触能力，机械强度可靠，记录稳定性也不受皮层干扰。而且制造工艺易于复制，还有持久的循环压缩恢复能力。在大鼠开颅植入实验中，不管是拨动胡须还是施加外部压力，它都能获得敏感且稳定的脑电信号响应。


从结构设计上看，SMBE有着独特的“爪形微结构”。在面对体内常见的由外向内和由内向外的压力时，其电极点能自适应变形。超深度显微镜下的测量显示，微凸起中心有着特定的高度曲线。而从工艺角度，其阵列的结构设计和微纳加工工艺，为其性能的实现奠定了基础。在力学特性表征方面，它展现出了与脑组织良好的适配性。电化学特性也十分出色，为信号的高效传输和处理提供了保障。生物相容性评价及动物实验验证都表明，它在实际应用中具有很大的潜力。特别是对胡须刺激和自外向内压力的在体神经响应实验，充分证明了它的可靠性和有效性。

图1.3D软凸神经微电极SMBE概述a)体内常见但容易被忽视的由外向内和由内向外压力引起的电极-组织相互作用；b)SMBE电极点在外界压力下的自适应变形示意图；c)爆炸视图；d)二维和三维状态下带有爪形微结构的SMBE电极点照片；e)具有4个位点的SMBE电极阵列；f)超深度显微镜下SMBE电极点高度测量；g)微凸起中心带误差带（n=10）的高度曲线。

图2.SMBE电极阵列的结构设计和微纳加工工艺

图3.SMBE电极的力学特性表征

图4.SMBE电极的电化学特性表征

图5.SMBE电极的生物相容性评价及动物实验验证

图6.SMBE电极对胡须刺激和自外向内压力的在体神经响应


SMBE的显著优势


与现有的其他柔性3D电极相比，SMBE的优势一目了然。首先是高度上的优势，330微米的高度，让它能更好地跨越电极与组织之间的距离，有效避免气泡捕获和蛋白质积聚等问题。其柔软性更是一大亮点，就像一层温柔的“保护膜”，能极大地减少对目标组织的机械损伤。而且它的扩展性很强，易于定制的3D软凸起结构和通用组装方法，让其应用范围不再局限于大脑皮层，脊髓、周围神经、类器官等都可能成为它的“用武之地”。另外，电极与组织的微压缩界面，就像一个信号“增强器”，能提高记录的信噪比，还能控制刺激阈值。


SMBE面临的挑战与未来方向


当然，SMBE要走向更广泛的应用，还有一些路要走。在微型化方面，虽然目前的成型工艺已经不错，但要实现更微小的结构，模具加工精度和对准能力还得进一步提升。高通量集成也是一个挑战，随着电极通道增加到数百个甚至更多，如何保证高成品率和一致性，是研发团队需要攻克的难题。长期植入的可靠性也有待验证，至少需要3个月的体内实验来进一步观察组织增殖和炎症反应。而在顺应性上，柔软的硅胶底座还可以更薄、更结构化，以贴合任何复杂的组织曲率。


脑机接口的新希望


总的来说，3D软凸神经微电极SMBE是脑机接口领域的一颗“希望之星”。它具有缓冲脑组织形变的长效接触能力，为长期记录皮层脑电信号提供了有力支持，在神经科学研究和临床应用方面的创新和实用价值不可估量。未来，随着技术的不断完善，它或许能为脑机接口带来更多的可能，让我们离真正的“脑机互联”梦想越来越近。


这项研究的论文作者阵容强大，西北工业大学无人系统技术研究院吉博文副教授、研究生孙凡淇、薛凯是共同第一作者，西北工业大学扈慧静副教授、常洪龙教授，杭州电子科技大学王明浩副研究员为共同通讯作者。他们的努力和智慧，为脑机接口技术的发展注入了新的活力。