你能想象嗎？在腦機接口領(lǐng)域，一項新的研究成果正在悄然改變著游戲規(guī)則。西北工業(yè)大學(xué)成功研發(fā)出一種微創(chuàng)植入式3D軟凸神經(jīng)微電極（Soft Microbump Electrodes，SMBE）。這項成果通過“軟-柔”界面集成，實現(xiàn)了平面柔性電極結(jié)構(gòu)三維化，能像給大腦穿上一件“自適應(yīng)防護服”，緩沖顱內(nèi)外壓力變化，還能與硬膜/軟腦組織保持彈性接觸，為長期穩(wěn)定獲取高保真皮層腦電信號ECoG開辟了新思路，并已在npj Flexible Electronics（IF=15.5，中科院一區(qū)TOP）上發(fā)表。

腦科學(xué)研究和腦疾病治療，都極度依賴微創(chuàng)植入式神經(jīng)電極這個“前端偵察兵”。尤其是植入式柔性皮層微電極，在癲癇監(jiān)測、運動意圖解碼等臨床場景中，正吸引著越來越多研究者的目光。然而，一直以來，這類電極面臨著兩大技術(shù)“攔路虎”。一方面，要實現(xiàn)電極-組織的近距離接觸并非易事，空隙引入的空氣，會讓接觸阻抗和位點串?dāng)_增大，嚴(yán)重影響腦電信號采集質(zhì)量和電刺激空間分辨率。另一方面，電極與組織的機械性能匹配也是難題，材料得柔軟、精度要優(yōu)良、強度還得可靠，這樣才能緩沖顱內(nèi)外壓力變化，降低組織出血、炎癥等風(fēng)險。

現(xiàn)有的研究大多聚焦于通過材料來讓電極與組織實現(xiàn)保形接觸，可電極-組織的緩沖接觸卻常被冷落。就像在實驗動物中，常用牙科水泥固定柔性薄膜電極，或者用蓋玻片作觀察窗，還有原始骨瓣密封法。但這些方法中的剛性蓋板，都會給下方的軟腦組織帶來壓力，炎癥或組織損傷的風(fēng)險如影隨形。后來，有研究人員嘗試添加明膠壓縮海綿等，或用軟人造硬腦膜代替剛性玻璃，可由內(nèi)而外的壓力同樣不可小覷，顱內(nèi)壓變化和腦微運動導(dǎo)致的電極-組織相互作用依舊棘手。

為提高電極-組織界面的電子-離子導(dǎo)電性，三維凸出結(jié)構(gòu)的微電極點應(yīng)運而生。相比傳統(tǒng)二維平面電極，它能讓電極與皮層信號源距離更近，信號質(zhì)量、刺激空間選擇性都能提升，接觸阻抗和電極位置串?dāng)_也會降低。但現(xiàn)有的3D凸起微電極，要么高度有限，要么缺乏彈性接觸變形能力。

SMBE：3D軟凸神經(jīng)微電極的獨特設(shè)計

西北工業(yè)大學(xué)此次研發(fā)的SMBE，是一種基于聚酰亞胺的3D電極陣列，有4個通道，還能按需擴展。它包裹在高度約330微米的柔軟硅膠微凸起表面，這個高度可是遠(yuǎn)超多數(shù)現(xiàn)有3D凸起微電極。它不僅有出色的緩沖接觸能力，機械強度可靠，記錄穩(wěn)定性也不受皮層干擾。而且制造工藝易于復(fù)制，還有持久的循環(huán)壓縮恢復(fù)能力。在大鼠開顱植入實驗中，不管是撥動胡須還是施加外部壓力，它都能獲得敏感且穩(wěn)定的腦電信號響應(yīng)。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上看，SMBE有著獨特的“爪形微結(jié)構(gòu)”。在面對體內(nèi)常見的由外向內(nèi)和由內(nèi)向外的壓力時，其電極點能自適應(yīng)變形。超深度顯微鏡下的測量顯示，微凸起中心有著特定的高度曲線。而從工藝角度，其陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計和微納加工工藝，為其性能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在力學(xué)特性表征方面，它展現(xiàn)出了與腦組織良好的適配性。電化學(xué)特性也十分出色，為信號的高效傳輸和處理提供了保障。生物相容性評價及動物實驗驗證都表明，它在實際應(yīng)用中具有很大的潛力。特別是對胡須刺激和自外向內(nèi)壓力的在體神經(jīng)響應(yīng)實驗，充分證明了它的可靠性和有效性。

圖1.3D軟凸神經(jīng)微電極SMBE概述a)體內(nèi)常見但容易被忽視的由外向內(nèi)和由內(nèi)向外壓力引起的電極-組織相互作用；b)SMBE電極點在外界壓力下的自適應(yīng)變形示意圖；c)爆炸視圖；d)二維和三維狀態(tài)下帶有爪形微結(jié)構(gòu)的SMBE電極點照片；e)具有4個位點的SMBE電極陣列；f)超深度顯微鏡下SMBE電極點高度測量；g)微凸起中心帶誤差帶（n=10）的高度曲線。

圖2.SMBE電極陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計和微納加工工藝

圖3.SMBE電極的力學(xué)特性表征

圖4.SMBE電極的電化學(xué)特性表征

圖5.SMBE電極的生物相容性評價及動物實驗驗證

圖6.SMBE電極對胡須刺激和自外向內(nèi)壓力的在體神經(jīng)響應(yīng)

SMBE的顯著優(yōu)勢

與現(xiàn)有的其他柔性3D電極相比，SMBE的優(yōu)勢一目了然。首先是高度上的優(yōu)勢，330微米的高度，讓它能更好地跨越電極與組織之間的距離，有效避免氣泡捕獲和蛋白質(zhì)積聚等問題。其柔軟性更是一大亮點，就像一層溫柔的“保護膜”，能極大地減少對目標(biāo)組織的機械損傷。而且它的擴展性很強，易于定制的3D軟凸起結(jié)構(gòu)和通用組裝方法，讓其應(yīng)用范圍不再局限于大腦皮層，脊髓、周圍神經(jīng)、類器官等都可能成為它的“用武之地”。另外，電極與組織的微壓縮界面，就像一個信號“增強器”，能提高記錄的信噪比，還能控制刺激閾值。

SMBE面臨的挑戰(zhàn)與未來方向

當(dāng)然，SMBE要走向更廣泛的應(yīng)用，還有一些路要走。在微型化方面，雖然目前的成型工藝已經(jīng)不錯，但要實現(xiàn)更微小的結(jié)構(gòu)，模具加工精度和對準(zhǔn)能力還得進一步提升。高通量集成也是一個挑戰(zhàn)，隨著電極通道增加到數(shù)百個甚至更多，如何保證高成品率和一致性，是研發(fā)團隊需要攻克的難題。長期植入的可靠性也有待驗證，至少需要3個月的體內(nèi)實驗來進一步觀察組織增殖和炎癥反應(yīng)。而在順應(yīng)性上，柔軟的硅膠底座還可以更薄、更結(jié)構(gòu)化，以貼合任何復(fù)雜的組織曲率。

腦機接口的新希望

總的來說，3D軟凸神經(jīng)微電極SMBE是腦機接口領(lǐng)域的一顆“希望之星”。它具有緩沖腦組織形變的長效接觸能力，為長期記錄皮層腦電信號提供了有力支持，在神經(jīng)科學(xué)研究和臨床應(yīng)用方面的創(chuàng)新和實用價值不可估量。未來，隨著技術(shù)的不斷完善，它或許能為腦機接口帶來更多的可能，讓我們離真正的“腦機互聯(lián)”夢想越來越近。

這項研究的論文作者陣容強大，西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)技術(shù)研究院吉博文副教授、研究生孫凡淇、薛凱是共同第一作者，西北工業(yè)大學(xué)扈慧靜副教授、常洪龍教授，杭州電子科技大學(xué)王明浩副研究員為共同通訊作者。他們的努力和智慧，為腦機接口技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。