“软弹头”电极贴脑而不伤，大脑接口进入柔性时代

在人类大脑里，每一次呼吸、心跳、甚至脑组织的微小移动，都可能对神经电极造成“干扰”。传统硬电极常因刚度过高而导致组织应激、炎症反应甚至信号衰减。2025 年的一项新成果提出了一种全新设计：三维软微凸起（3D soft microbump）电极，用柔软的“弹性触角”贴近脑组织，在减少伤害的同时改善记录和刺激性能，这几乎就是让电极向大脑“学习”如何柔和共舞。该研究由西北工业大学团队发表在 npj Flexible Electronics上。

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为什么“硬电极伤脑 vs 软电极贴心”成了关键？

RESEARCH INTRODUCTION

脑科学研究和脑疾病治疗离不开微创植入式神经电极作为前端传感器，其中植入式柔性皮层微电极在癫痫监测、运动意图解码、语音解码、视觉恢复等临床落地场景中正得到越来越多研究者的关注。然而，该类电极依旧长期面临两方面技术难题：一是如何保持电极-组织近距离接触，避免因空隙引入空气，从而减小接触阻抗和位点串扰，有效提高脑电信号采集质量和电刺激空间分辨率；二是如何保持电极与组织机械性能匹配，具有材料柔软、精度优良、强度可靠特性，更好地缓冲颅内外压力变化，降低组织出血、炎症等风险。

现有研究主要集中在通过材料实现电极与组织保形接触。电极-组织缓冲接触也至关重要，但很容易被忽视，特别是对于体内的长期作用。在实验动物中，牙科水泥是一种成熟的技术，用于将柔性薄膜电极固定在皮质表面，替换移除的颅骨，并建立基座来支撑PCB板和连接器。在暴露的皮层表面放置柔性电极，通常也使用盖玻片作为观察窗。原始骨瓣是另一种将柔性电极保持在原位的密封方法。上述刚性盖板在垂直方向上直接给非弹性薄膜电极带来由外至内的压力，并转移到其下方的软脑组织，存在炎症或组织损伤的潜在风险。

一些研究人员意识到该问题的潜在严重性，通过添加明胶压缩海绵或有机硅弹性体，或在电极制造中添加细菌纤维素、水凝胶超软衬底，来建立覆盖物和电极之间的弹性接触关系。此外，可以用硅胶制成的软人造硬脑膜代替刚性玻璃用于长期稳定观察电极。值得注意的是，由血管脉动、呼吸和行为运动引起的由内而外的压力，也会导致严重的电极-组织相互作用，颅内压的同时变化和脑微运动是不可避免的，例如，在麻醉大鼠中，呼吸导致2-25µm，血管搏动导致1-3µm的皮层位移量。因此，需要在电极设计中考虑具有自适应变形能力的缓冲界面。

软电极的概念并非全新——早已有材料学家在尝试使用柔软聚合物、导电弹性体、表面涂层等方式减小刚度。但这些设计大多是平面或二维的，或者只能在表面贴合，无法充分满足诸如深部植入、多点电极阵列、高密度记录与刺激的需求。三维微凸起电极的提出，正是为解决这些设计与实用之间的矛盾：“既要柔软贴合”，又要“形态复杂和电性能优良”。

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微凸起设计与体内验证如何展现柔性 + 功能性的结合

RESEARCH METHOD

3D软凸神经微电极SMBE概述

SMBE电极阵列的结构设计和微纳加工工艺

团队设计了一种独特的三维结构电极：在电极接触面上布置许多垂直“微凸起”（microbumps），这些凸起既能提供额外的表面积，也能在脑组织微运动时随着组织变形弹性响应，从而保持紧密贴合而不是剥离或造成拉扯。材料上，他们采用极软的高弹性聚合材料（弹性体）与导电纳米材料的复合体，使电极整体机械柔软性接近脑实质，同时导电性和刺激／记录能力不被牺牲。

在体外测试中，这些电极展现出极低的阻抗波动性以及高信号-噪比（SNR），与传统刚性电极相比，在小电刺激与记录任务中表现稳定。随后的体内植入实验（通常在啮齿动物脑中）显示，这些微凸起电极在植入后长期记录中，炎症反应和胶质细胞包裹明显减少；组织切片分析显示，植入区域的神经元密度保持更好，边缘组织损伤更轻微。

SMBE电极的生物相容性评价及动物实验验证

此外，微凸起电极在经历大量微动（如受呼吸、心跳造成的脑动）后，仍能保持电-组织界面的完整性与信号稳定性。这种“随动弹性”和“柔性适应性”被认为是其长期稳定性的关键。电极的制造对凸起尺寸、间距、硬软比例都有精细调控，以优化既要贴合又要强度足够的技术平衡。

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未来脑机接口如何学以致用

RESEARCH SIGNIFICANCE

这项研究的意义切实而多面，尤其当我们从“向大脑学习”的角度审视时，它提供了很多启示：

这项关于三维软微凸起电极的研究不仅在材料和结构设计上带来了突破，更从根本上改变了人们对脑机接口的理解。它告诉我们，真正稳定、长久的接口并不是依靠“更硬更强”的材料去压制脑组织，而是要像大脑自身一样具备柔性和适应性，与脑的微运动保持和谐共存。通过显著减少炎症反应和胶质疤痕的形成，这种设计延长了信号采集和刺激的寿命，为未来临床植入提供了更安全、更持久的选择。更重要的是，它为脑机接口指明了一条新的发展道路：从单纯追求电学性能的“工具”，转向能够与大脑建立共生关系的“伙伴”。这种思路的转变意味着未来的神经接口设备或许不再是冰冷的金属与电路，而是能够像神经组织一样“呼吸”和“适应”的柔性系统，从而在康复治疗、神经调控乃至智能交互领域展现更大的潜力。

论文参考：DOI:10.1038/s41528-025-00480-x