摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

植入式神经电极是连接基础脑科学、脑疾病治疗和脑机交互的关键器件。传统以刚性硅针或金属丝为代表的电极，在器件尺寸、柔顺性以及长期稳定性之间存在难以兼顾的矛盾，既容易在植入时造成组织损伤，又难以在脑组织长期微运动环境中保持高质量记录，也因此更容易在界面处诱发持续性的免疫反应。

近年来，围绕“微创、超柔、长寿命”的植入式脑皮层内神经电极，国内外在材料体系、结构设计和制造工艺上均取得了快速进展。近期，中国科学院上海光学精密机械研究所、上海微系统与信息技术研究所等单位的研究团队在SCI期刊《极端制造（英文）》(International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM) 发表综述文章“Extreme manufacturing of minimally invasive intracortical neural electrodes”。

图1 刚性神经电极与超柔顺神经界面引发的免疫反应对比。

文章围绕微创、可植入皮层内神经电极这一前沿方向，系统梳理了组织–电极界面的物理约束与失效机制，总结了在极端制造条件下实现超小尺寸、超柔顺、长寿命电极的工艺与材料进展，为下一代植入式、高带宽脑机接口器件的设计与工程实现提供参考。

     

 2. 图文解析  

一、微创电极版图：从“粗硬针”到“细柔密”

在这篇综述中，作者勾勒了微创脑皮层内电极过去十余年的技术演进：如图2所示，从早期的碳纤维电极、多功能光纤，到网状电子学、纳米电子线探针、聚合物电极阵列，再到Neuropixels系列硅探针以及最新的血管内与卷曲式柔性电极。不同方案在尺寸、柔顺性和通道密度上的对比，清楚地展示出从“粗硬针”走向“细、柔、密”的总体趋势，其共同目标是在减轻组织损伤的前提下提升空间分辨率和记录规模。时间轴上的器件演进与图1脑组织损伤修复机制示意图相互印证，突出“极小侵袭、长期稳定”是未来微创脑皮层内电极设计的关键方向。

图2 微创脑皮层内神经电极技术发展情况列举。

二、信号、界面与失效：电极设计的“物理极限”

要在脑内稳定工作，电极不仅要“插得进去”，更要“看得清、活得久”。图3把关键物理量集中在一张图里：一端是由离子分布和体导体理论刻画的跨膜电位与局部场电位，另一端是用等效电路表示的组织–电极界面（双电层电容、界面电荷转移电阻和组织电阻），中间则是与厚度、宽度和长度相关的弯曲刚度、屈曲载荷以及典型失效模式。通过把“信号从何而来、在何处被过滤、器件为何会失效”放到同一物理框架中，图3给出了微创电极在几何尺寸、界面阻抗和材料耐久性上的硬约束，也解释了为什么要在“尽可能细和柔”的同时保证不折断、不短路。

图3 脑皮层内神经电极设计的关键物理约束条件。

三、极端制造：把“极细极柔”的设计做成器件

在设计之外，“极端制造”回答的是“这些极限规格如何真正做出来”的问题。图4选取了几条具有代表性的工艺路线：采用高精度电子束曝光直写技术制备高密度超柔神经电极阵列；借助热拉伸和包层设计实现集成电极与光学通道的光纤电极；在锥形光纤侧壁上完成金属化与绝缘包覆的fibertrode；借助双光子聚合、气溶胶喷印和激光直写等方法在柔性基底上直接打印三维微电极阵列。通过这些具体样例，论文展示了如何在硅平面工艺与非平面工艺、柔性聚合物平台与光纤平台之间搭建“工艺–材料模块库”，把“极细、极柔、极高通道密度”的结构从概念推向可批量制造的工程方案。

图4 微创脑皮层内神经电极的“极端制造”工艺路线列举。

四、未来版图：在“更软、更小、更密”之间寻找极限

在论文的收束部分，作者试图用一个量化视角回答“我们距离理想的微创电极还有多远”。如图5所示，作者将文献中不同类型的穿刺式电极（刚性硅探针、柔性被动/有源电极、网状/纤维型电极等）统一投影到“弯曲刚度–单位电极植入体积”的坐标系中，并与人脑神经元的体积密度进行对比。基于图3 中给出的力学公式，对比结果显示：最新一代超柔探针在弯曲刚度和体积占用上已经逼近神经元本身的尺度，但要在维持机械匹配和长期稳定的同时进一步提高通道数，仍然需要在工艺良率、材料耐久性和片上电子集成之间做出新的平衡，这也勾勒了未来“极端制造”继续发力的方向。

图5 脑皮层内神经电极的弯曲刚度与植入体积总结。

3.总结与展望

本综述将微创脑皮层内神经电极视为典型的极端制造对象，从生物物理、组织反应、材料退化到微纳工艺，构建了一个多尺度、一体化的设计框架。作者指出，未来需要在生物合成技术、“活性”电极生长以及动态界面工程方面持续推进，实现与脑组织在时间尺度上的“协同演化”；同时结合CMOS高密度读出和智能解码算法，发展高通量、长寿命的皮层内脑机接口和闭环神经治疗系统，提升对神经疾病的诊断与干预能力。

4.作者与团队简介

本工作作者团队在先进微纳加工、柔性电子、生医成像与神经外科等方向具有交叉优势，共同推进微创脑皮层内神经电极与极端制造技术的发展。