下一代神經接口的終極形態：讓電極器件融入生物體

你有沒有想過，如果把一枚硬幣貼在大腦表面，一年后會發生什么？

紅腫、發炎、組織增生，最終信號逐漸衰減直至消失——這正是今天腦機接口長期植入時最現實、也最棘手的問題。醫生需要電極去讀取神經信號，但大腦卻會把這些器件視作“入侵者”，持續發起免疫反應。

問題的根源，其實是一場典型的“硬碰軟”錯配。傳統腦電皮層圖（ECoG）電極通常采用鉑或鉑銥合金制造，這類金屬的硬度往往超過1 GPa，而腦組織的柔軟度只有kPa到MPa級別。每一次心跳、每一次呼吸引發的細微位移，都像是在柔軟的豆腐里反復刮擦一枚硬幣。久而久之，電極與組織的界面便會出現慢性炎癥，最終導致信號衰減甚至器件失效。

更棘手的問題，則來自“水”的悖論。

由于富含水分、力學性質接近生物組織，水凝膠（hydrogel）長期以來都被認為是理想的神經界面材料。但傳統導電水凝膠的電導率通常只有10?3到102 S cm?1，遠不足以穩定捕捉微弱神經電信號；與此同時，它們又容易在水環境中膨脹變形，像泡發的木耳一樣失去原有結構。一旦精密電極圖案發生腫脹，通道間距就會改變，最終造成信號串擾與失真。

于是，一個幾乎無解的矛盾擺在研究者面前：要導電，就得像金屬；要柔軟，就得像水；而要精準穩定，又必須避免形變。過去很長時間里，這三件事幾乎無法同時實現。

2026年4月28日，一篇發表于《PNAS》的論文，給出了一個不一樣的答案。來自清華大學深圳國際研究生院、中國科學院深圳先進技術研究院、日本理化學研究所（RIKEN）以及東京大學等機構組成的聯合團隊，開發出一種名為CHIP（Conductive Hydrogel with Interfacial Percolation）的導電水凝膠。它像水一樣柔軟，像金屬一樣導電，薄如保鮮膜，卻能夠在腦組織中穩定工作長達550天。

圖1 CHIP的界面滲流設計與全有機ECoG陣列

發現“界面滲流”：讓導電聚合物學會“分層排隊”

研究團隊首先使用改良的PEDOT:PSS導電墨水（PPEL），并將其澆筑到超薄雙網絡水凝膠基底——聚丙烯酰胺/海藻酸鈉（PAAm-alginate）之上。

真正關鍵的突破，發生在兩者接觸的界面。

PAAm-alginate表面帶正電，而PEDOT:PSS中的PSS鏈帶負電且具有親水性，PEDOT顆粒則相對疏水。當材料接觸后，一場類似“自主分選”的過程隨之發生：PSS鏈被靜電吸引，像樹根一樣向下滲入水凝膠；而PEDOT則被“擠”向表面，并重新排列形成致密的π-π堆疊導電網絡，最終構建出一條高效的電荷傳輸通道。

這種結構被研究團隊稱為“界面滲流微結構”。它并不是簡單的材料混合，而是一種由界面電勢驅動的各向異性相分離。某種程度上，它更像是讓不同材料“各歸其位”——親水部分進入水凝膠內部，導電部分則在表面形成高速電子通路。

最終得到的性能數據相當驚人。

制備態CHIP水凝膠的含水量達到36.4%，電導率則高達2,512 ± 118 S cm?1，不僅是此前導電水凝膠最高紀錄（670 S cm?1）的近四倍，甚至已經逼近部分金屬與摻雜硅材料的導電區間。與此同時，它的楊氏模量僅為1.6 MPa，斷裂伸長率達到124%，最小彎曲半徑低至5.4微米。

這意味著，它不僅能高效傳導電信號，還能夠像一張超薄貼紙一樣，順著起伏不平的腦皮層自然貼合，并隨著組織共同彎曲，而不會產生明顯的機械剪切損傷。

圖2 CHIP的微觀結構與電學/力學性能表征

從“泡水變形”到“精準鎖定”：兩項關鍵工藝突破

不過，僅僅擁有優秀材料性能，還不足以真正做成可植入器件。

水凝膠走向實際腦機接口應用，還必須解決兩個工程層面的難題：如何抑制溶脹，以及如何實現高精度微加工。

針對前者，研究團隊提出了一種“側向限域溶脹策略”。他們將預溶脹的PAAm-alginate水凝膠錨定在經過等離子體處理的聚對二甲苯（parylene）基底上。氫鍵作用與表面粗糙化協同配合，使得水凝膠即便在完全水合狀態下——含水量達到85.9%，已經接近真實腦組織——其線寬變化依然被限制在5%以內。

換句話說，即使長時間浸泡在液體環境中，這些微米級電極結構依然能夠保持穩定形態，從根本上抑制通道串擾和結構畸變。

另一個難點，則是微納加工。

傳統光刻中的濕法刻蝕，會嚴重破壞水凝膠內部的多孔結構。為此，團隊采用了一種干法軟保護刻蝕方案：利用聚酰亞胺/聚二甲基硅氧烷（PI/PDMS）雙層掩模進行反應離子刻蝕（RIE），既保護了水凝膠結構，又實現了微米級精度加工。

最終，他們制備出一種全有機ECoG陣列，總厚度僅9微米，通道密度達到853 channels cm?2，相比此前水凝膠電極提升了一個數量級。

圖3 基于CHIP的ECoG陣列制備流程與生物相容性驗證

大腦“忘記”了它的存在

對于任何腦機接口而言，真正的終極考驗，始終是生物相容性。

在大鼠實驗中，研究團隊觀察到：植入16周后，CHIP陣列周圍的星形膠質細胞（GFAP+）與小膠質細胞（Iba1+）并未出現明顯異常激活，皮層結構與未植入區域以及假手術組基本一致。

換句話說，大腦似乎逐漸“忽略”了這張超薄薄膜的存在。

圖4 急性在體多模態神經記錄

但真正具有標志性意義的，仍然是其長期穩定性。

研究團隊在5只新西蘭兔的大腦皮層上植入了128通道CHIP陣列，其中最長的一只連續記錄時間達到550天。整個實驗期間，兔子始終保持健康狀態，信號質量也沒有出現明顯衰減。

從第1天到第550天，研究人員持續觀察到：動物探索行為與高伽馬頻段（30–120 Hz）功率增強之間始終存在顯著相關性，而歸一化SNR在550天后依然維持在初始值的0.94以上。

對于長期腦機接口而言，這已經不只是“能工作”，而是真正跨過了慢性穩定性的關鍵門檻。

圖5 自由運動兔子的長期腦信號映射

超低閾值刺激：從“讀取”走向“對話”

CHIP不僅是一個優秀的“聽眾”，也開始展現出成為“說話者”的能力。

傳統刺激電極通常需要較高電荷密度，才能誘發可靠神經響應，而過高刺激往往會增加組織損傷風險。相比之下，CHIP依靠其巨大的體積電容，實現了超低閾值神經刺激。

實驗中，研究人員在軀體感覺皮層施加雙相電流脈沖，僅需5 μA電流——對應電荷密度約0.6 μC cm?2 per phase——便能夠在50毫秒內穩定誘發皮層響應。

某種意義上，這更像是“耳語式刺激”：無需高強度電流，大腦依然能夠清晰接收信號。

啟示：讓電子設備“像組織一樣存在”

這項研究對腦機接口領域的意義，可能不僅僅在于一種新材料的出現，更在于它代表了一種新的設計范式。

過去很長時間里，工程師始終在“性能”與“壽命”之間艱難權衡：金屬電極導電性能優異，卻容易引發免疫反應；柔性材料更加溫和，卻又難以兼顧穩定信號與長期結構可靠性。CHIP的價值，在于它沒有選擇妥協，而是通過界面物理化學設計，重新定義了材料本身。它同時具備了金屬級電子性能、生物組織級力學順從性，以及液體環境下的離子通透能力。

論文通訊作者之一，Takao Someya教授（東京大學/RIKEN）長期致力于超薄柔性電子皮膚；另一位通訊作者徐曉敏（清華大學深圳國際研究生院）和李驍健（中國科學院深圳先進技術研究院，現入職南方醫科大學）則將這一理念推向了神經界面。

而正如柔性電子學領域代表人物John A. Rogers長期強調的方向那樣，下一階段生物電子學的核心趨勢，已經不再只是“器件小型化”，而是“系統級生物融合”。

對于腦機接口而言，這意味著未來的神經界面或許不再是冰冷的硬質硅針，而可能是一層像創可貼一樣的超薄有機薄膜，輕輕覆蓋在腦表，與神經組織共同存在數十年。

對于癲癇、帕金森等需要長期神經調控的患者，或是需要穩定假肢控制的截肢者來說，550天的穩定記錄已經證明：電極與大腦之間，并不一定只能是長期對抗的關系。

它們也可能彼此適應，最終達到一種“被遺忘”的共存狀態。

或許，下一代神經接口真正的終極形態，不是讓大腦去適應機器，而是讓機器逐漸溶解進生命本身。