解析神经元电活动是揭示大脑工作机制的核心前提，但传统金属电极因刚性突出、生物相容性欠佳，长期植入易诱发炎症反应与组织损伤，导致信号质量持续衰减。针对这一难题，东华大学研究团队开发了一种新型石墨烯纤维生物微电极。该电极采用湿法纺丝结合剪切诱导取向技术制备定向多孔石墨烯纤维，并通过二氧化硅绝缘层与双网络水凝胶的包覆改性，实现了电化学性能与生物相容性的协同优化。研究系统评估了该电极的导电特性、阻抗行为及电荷存储能力，并在小鼠视觉皮层植入模型中验证了其单神经元信号记录效能与长期稳定性。结果表明，该电极电导率高达109.73 S/cm，阻抗低至14.23 Ω·mm²，电荷存储能力达82.89 mC/cm²，在4~15 Hz光刺激条件下信噪比最高达12.83 dB，且植入一个月后炎症反应与纤维化程度显著低于传统铂铱电极。该研究为脑机接口、神经疾病机制探索及高性能神经调控设备的研发提供了新的技术路径。

大脑作为人体最为复杂的器官，其信息处理依赖于数以百亿计神经元之间精密而高效的电信号传递。破译这些电信号的内涵，是理解认知、记忆、情感等高级神经功能的根本途径，也是诊断和治疗癫痫、帕金森病等神经系统疾病的关键基础。然而，神经电信号的采集面临诸多技术挑战，其中电极与脑组织之间的界面适配性尤为突出。


传统神经电极多采用铂、铱等金属材料制备，虽然具备良好的导电性能，但其机械刚度与柔软的脑组织存在显著失配。这种"硬针入软组织"的植入模式，容易在界面处产生机械应力集中，触发机体的免疫排斥反应，引发慢性炎症和胶质瘢痕包裹。随着时间推移，电极周围形成的纤维化组织会逐渐隔绝电极与目标神经元之间的电耦合，导致记录阻抗升高、信号幅度衰减、信噪比恶化，最终使电极丧失功能。因此，开发兼具高导电性、低界面阻抗、优异生物相容性及力学匹配性的新型神经电极，成为神经工程领域亟待突破的方向。


东华大学研究团队从材料设计与界面工程两个维度出发，提出了一种基于石墨烯纤维的柔性生物微电极方案。石墨烯作为一种二维碳纳米材料，具有极高的本征载流子迁移率和优异的电化学稳定性，是构建高性能神经接口的理想候选材料。研究人员首先采用湿法纺丝工艺，结合剪切诱导取向技术，将氧化石墨烯前驱体转化为具有定向多孔结构的石墨烯纤维。这种独特的微观架构兼具双重优势：定向排列的石墨烯片层为电子传输提供了快速通道，显著提升了纤维的轴向电导率；而丰富的孔隙结构则大幅增加了电极的有效比表面积，为电化学反应提供了充足的活性位点，从而有效降低了界面阻抗并增强了电荷存储能力。

经系统表征，所制备的石墨烯纤维展现出卓越的电化学性能。其电导率最高可达109.73 S/cm，单位面积阻抗最低仅为14.23 Ω·mm²，电荷存储容量高达82.89 mC/cm²，上述指标均优于当前多数柔性神经电极报道值，表明该材料在神经信号采集方面具有显著的电学优势。


为进一步提升电极在复杂生理环境中的长期稳定性，研究团队对石墨烯纤维进行了精细的表面功能化修饰。首先在纤维表面包覆一层二氧化硅绝缘层，该层可有效阻隔非目标区域的电流泄漏，确保电信号的空间选择性采集；随后在外层修饰双网络水凝胶涂层。水凝胶材料具有高度亲水性，植入脑组织后能够吸收周围组织液发生适度溶胀，使电极整体的力学特性更加贴近脑组织的黏弹性特征。这种"刚柔并济"的结构设计，显著降低了电极与脑组织之间的机械不匹配程度，从而减轻了植入过程中的急性损伤以及长期植入后的慢性机械刺激，抑制了炎症级联反应的激活。

在功能验证环节，研究人员将该石墨烯纤维电极植入小鼠视觉皮层，并采用不同频率的闪光刺激诱发神经响应。实验结果显示，电极能够稳定捕获单个神经元的动作电位发放，并精确追踪神经元群体对视觉刺激频率变化的动态编码过程。在4至15赫兹的光刺激频率范围内，记录信号的信噪比峰值达到12.83分贝，展现出优异的信号保真度和抗噪声干扰能力，足以支撑对微弱神经电活动的可靠解析。


生物安全性评估进一步证实了该电极的临床应用潜力。体外细胞毒性实验表明，石墨烯纤维电极对神经细胞几乎无毒性作用；体内组织学分析显示，电极植入一个月后，植入位点周围的炎症细胞浸润程度和胶原纤维化沉积面积均明显低于传统铂铱合金电极对照组。这一结果说明，该电极能够与脑组织形成和谐共生的长期界面关系，大幅延长了有效记录的时间窗口，为需要长期监测的神经疾病研究（如癫痫灶定位、神经退行性疾病进展追踪）提供了更为可靠的工具。


结论


该研究通过石墨烯纤维基体材料的创新制备与二氧化硅-水凝胶复合界面的精细调控，成功构建了一类兼具高电化学性能与优异生物相容性的柔性神经微电极，有效克服了传统金属电极因刚性失配导致的组织损伤、炎症反应及信号质量衰退等核心瓶颈。该电极不仅在电导率、阻抗特性及电荷存储能力等关键参数上表现突出，更在小鼠视觉皮层植入实验中实现了高保真单神经元信号的长期稳定记录，显著降低了胶质瘢痕包裹风险。这一成果为深入理解神经信息编码机制、开发新一代脑机接口系统以及推动神经调控技术的临床转化奠定了重要的材料与器件基础。


值得关注的是，在微电极技术的产业化与精细化发展方面，丹麦Unisense公司长期深耕微电极领域，其开发的系列微电极产品以极高的空间分辨率和出色的电化学稳定性著称，广泛应用于神经科学、环境微生物学及生物医学研究等多个前沿方向。Unisense微电极在尖端直径控制、噪声抑制及长期信号漂移校正等方面积累了深厚的技术积淀，为神经电生理研究提供了高标准的硬件支撑。未来，将石墨烯纤维等新型碳基柔性材料与Unisense成熟的微电极制造工艺相结合，有望进一步推动神经接口器件向微型化、柔性化及长期植入稳定化的方向演进，加速脑科学基础研究与临床神经工程应用的深度融合。