用于猪只慢性脑电图记录的共形电极阵列

获取高质量的脑电皮层电图(ECoG)信号对于治疗高位截瘫、视觉损伤、癫痫和帕金森病等神经系统疾病具有重要意义。目前，柔性ECoG电极因其较低的机械不匹配度及微创特性而备受关注。然而，传统的ECoG电极为不可伸展的平面结构，无法与不断运动且具有沟回结构的脑皮层紧密贴合。本研究开发了一种带有凸起电极的柔性可伸展ECoG电极，有效解决了这些问题。首先，机械仿真结果显示，这种可伸展电极结构能有效减少电极与组织之间的应力差异。其次，循环伏安扫描和机械拉伸实验表明，该电极能够紧密贴附在脑皮层表面，并在持续拉伸过程中保持良好的电化学稳定性。此外，凸起电极的粘附力强于平面电极，通过PEDOT:PSS的电化学修饰处理，还能有效降低背景噪声。最重要的是，体内动物实验显示，这种可伸展ECoG电极能够在猪的脑皮层上连续记录高质量的电信号，其记录区域可达22×22毫米，且使用时间可超过5周。

可植入的神经电极必须具备足够的柔韧性，这样才能满足其与大脑表面及内部组织紧密贴合的要求。尤其是脑电图电极，其设计理念也从刚性走向了柔性方向，而柔软型的脑电图电极无疑将成为未来的发展趋势。1997年，犹他大学的诺曼等人发明了“犹他电极阵列”——这种刚性电极能够深入神经组织内部，从而更有效地记录神经元活动

近年来，聚酰亚胺（PI）等柔性聚合物材料得到了广泛应用。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或者聚对二甲苯由于具有良好的微纳加工兼容性，这类材料被广泛用于制造杨氏模量在2到4吉帕之间的神经电极。2022年，S·A·Dayeh的团队研究人员设计出了一种具有1024个通道的高通量脑电图微电极装置，这一设计显著提升了大脑皮层表面的覆盖范围和空间分辨率。2025年，P. Konrad首次在人类身上进行了脑电图成像技术的临床应用实验，所使用的正是这种拥有1024个微电极的薄膜型脑电图阵列。为了实现柔性材料的可伸展性，一种可行的方法是把原本不可伸展的柔性材料加工成弯曲的线状结构，从而使其具备可伸展性。表格中所总结的那样，刘佳的研究团队发明了一种方法，能够将具有开放式、可展开结构的电子装置精确地植入小鼠大脑的多个区域中。这种开放式网状结构与神经网络形成了稳定的连接关系，从而有效防止了探针的移位。在长达一年的植入过程中，该结构既没有引发免疫反应，也没有导致神经元数量的减少。鲍恩·吉的团队发明了一种名为“Brainmask”的微电极装置：其基底由细菌纤维素制成，而电极则是由可拉伸的聚对二甲苯-C材料制成的微电极，这些微电极被粘附在基底的表面之上。Brainmask不仅能确保微电极在各种不平坦的硬膜外表面的精确定位，还能提升体内记录过程中信号的稳定性，其效果已通过为期一周的实验得到验证。

在过去的十年中，人们研发出了具有弹性结构的微电极，因为这种电极能够适应组织的变形，从而更便于对神经元进行精确监测。2014年，李文的团队发明了一种利用液滴背面曝光技术来制造柔性电极的方法。所制成的电极具有凸起的微针结构，可以插入大脑皮层中，实现与神经元的紧密接触，其效果类似犹他电极。

在这项研究中，研究人员开发出一种具有凸起电极结构的柔性可伸展式脑电信号采集电极，这种电极能够实现高精度、贴合性良好的神经信号采集。通过在凸起电极表面进行PEDOT改性处理，可以有效降低界面阻抗，从而提升电极的生物相容性。体外实验表明，经过电化学改性的凸起电极能够有效降低界面阻抗，实现更好的贴合效果，进而提升信号采集性能。此外，通过在猪脑中进行长期植入实验，验证了这种电极能够持续稳定地采集到高质量的脑电信号。

首先，通过有限元分析对ECoG电极的弯曲刚度和可伸展性进行了模拟与研究。并将这些结果与采用AB结结构的电极进行了比较（见图2a），同时也与采用B结结构的电极进行了对比（见图2b）。如图2c所示，在整个拉伸过程中，采用B结结构的ECoG电极所承受的最大应力明显低于采用AB结结构的电极，这说明其具有更出色的可伸展性。在评估弯曲刚度时，研究人员将AB结结构和B结结构的电极都安装在了直径为5厘米的脑模型上。如图2(d–f)所示，采用B结结构的ECoG电极能够更好地适应自身重量带来的变形，从而更紧密地贴合球形脑模型表面。这些模拟结果表明，与采用AB结结构的ECoG电极相比，采用B结结构的电极在拉伸和弯曲变形方面表现更好。这一特性使得它们能更有效地贴合脑组织表面，从而提升信号采集的稳定性。不过，这种不对称结构在受到较大拉伸力时会导致电极发生倾斜，而且拉伸应变越大，倾斜程度就越严重。不过，鉴于脑组织的实际拉伸应变通常不会超过10%，因此仍然选择使用单节点结构，以确保电极在小幅度拉伸作用下仍能保持良好的贴合性能。

为了研究电极的电化学性能，在对电极进行改性处理前后，分别测定了其CV曲线、EIS曲线，并进行了CV扫描耐久性测试。如图3(a–c)所示，经过PEDOT改性后，电极的储电能力从0.48毫库仑/平方厘米大幅提升到了40.11毫库仑/平方厘米。这一提升效果得益于PEDOT所具有的高双电层电容和赝电容特性。与此同时，改性后电极的阻抗在整个频率范围内都有显著下降。具体来说，在1千赫兹时，电极的阻抗从2.42±0.72千欧降低到了0.32±0.08千欧；而相位延迟则从-70.23±2.89度减小到了-3.70±1.80度。

为了评估这些可拉伸电极的延展性，研究人员对它们进行了2500次循环拉伸测试，测试时的应变率为10%。这项测试旨在评估电极在反复变形过程中的机械性能和耐用性。如图4a所示，经过2500次拉伸测试后，电极在1 kHz频率下的阻抗从239.4欧姆略微上升至250欧姆；而相位延迟则从-1.6度略微下降到-1.8度。这些变化幅度分别仅为4.4%和12.5%。如此微小的变化表明，这些电极具有出色的延展性和电化学稳定性。

如图4(c–f)所示，研究人员进一步研究了电极在拉伸前后의微观形态变化。在拉伸测试之前，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT）均匀地覆盖在电极表面，没有发现任何表面裂纹。在高倍放大下可以看到，PEDOT呈现出颗粒状的微观结构，这种结构正是其具有低界面阻抗的原因。经过2500次10%的拉伸后，电极边缘出现了少量纳米级的裂纹；高倍图像显示，这些裂纹的宽度大约为几百纳米。总体而言，在10%的应变作用下，PEDOT仅在电极边缘的极小区域内产生了纳米级裂纹。值得注意的是，大脑组织本身产生的应变通常远低于10%。因此可以认为，经过PEDOT改性的电极能够保持良好的机械稳定性，从而适合长期植入大脑组织中。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s41378-026-01180-w