脑机接口电极｜当刚性硅基遇见柔性电子——从神经信号采集到动态脑机接口的“翻译官”

一、刚性vs柔性：脑机接口电极的核心矛盾

脑机接口电极可分为非侵入式（头皮脑电）、半侵入式（皮层脑电）和侵入式（皮层内微电极）三大类。其中，侵入式电极因直接与神经元“对话”，可实现更高的信号精度与最丰富的功能。但这一优势的背后，是一个长期悬而未决的工程难题——电极与脑组织的机械失配。

传统侵入式电极以硅基材料为主，代表性产品包括犹他阵列（Utah Array，100通道、10×10网格、400μm间距）和密歇根探针。硅的杨氏模量超过50 GPa，而脑组织仅有约1-10 kPa。当坚硬的电极植入柔软、随心跳和呼吸微微搏动的大脑时，两者之间的相对运动会持续磨损周围组织，引发胶质瘢痕包裹和神经元死亡。犹他阵列的信号噪声比约为6:1，平均每个电极可记录3.4个神经元——但在长期植入中，这一数字会持续下降。

柔性电极正是为解决这一矛盾而生。通过将电极材料从刚性硅基转向柔性聚合物（聚酰亚胺、聚对二甲苯C、PDMS、水凝胶等），使电极的力学性能更接近脑组织，从而大幅改善机械兼容性。

二、材料体系：从贵金属到导电聚合物

脑机接口电极的性能，根植于导体材料与基体材料的协同。

导体材料方面，金（Au）、铂（Pt）、铱（Ir）及其合金（如PtIr）是神经植入体中最广泛使用的金属。金具有良好的生物相容性和导电性，铂黑因高比表面积和低阻抗被广泛用于神经电极。氧化铱（IrOx）修饰的电极位点可将阻抗相对于裸金降低近两个数量级。传统金属虽具有优异导电性，但其刚性特性易引起组织损伤。

导电聚合物是近年来的研究热点。PEDOT:PSS因其良好的生物相容性、优良的导电性和易于合成的优点，被广泛应用于柔性神经电极的表面修饰。NeuroGrid、Neuralink等最先进的柔性神经电极设计均采用PEDOT:PSS作为标准电极涂层。导电聚合物涂层还可通过降低杨氏模量来改善植入体的整合效果。金包覆二氧化钛纳米线等高性能复合材料也为电极性能提升提供了新的可能。

基体材料的选择同样关键。聚酰亚胺、聚对二甲苯C、PDMS和水凝胶等柔性基材的杨氏模量更接近脑组织。e-dura电极采用120μm厚的硅酮基底，集成微裂纹金互连和300μm铂-硅酮电极，阻抗约5.2kΩ，可在20%应变下承受数百万次拉伸循环。NeuroWeb探针采用堆叠的六方氮化硼（h-BN）和石墨烯层，总厚度约40nm，光学透明度达97.2%，信号幅度约122μV。

三、性能指标：阻抗、通道数与长期稳定性

脑机接口电极的性能，最终要用三个核心指标来回答。

阻抗决定了信号采集的信噪比。阻抗越低，神经信号的采集效率越高、清晰度越好。犹他阵列的电极阻抗典型值在数百kΩ量级，而柔性电极通过表面修饰可将阻抗降至更低水平。NeuroWeb探针的信号幅度约122μV。氧化铱修饰可将阻抗相对于裸金降低近两个数量级。

通道数决定了信息采集的通量。犹他阵列为100通道。NeuroWorm（神经蠕虫）集成了60个独立通道。2026年5月启动的我国首个128通道全植入式脑机接口系统多中心临床试验，标志着通道数的又一次跃升。清华大学团队开发的9μm全有机超柔性电极阵列通道密度高达853通道/cm²。

长期稳定性是柔性电极相对于刚性电极最核心的差异化优势。NeuroWorm在大鼠腿部肌肉内稳定工作超过43周，植入13个月后纤维包裹层厚度平均不足23μm，细胞凋亡率与正常组织相当。清华大学的全有机超柔性电极在新西兰兔中实现了长达550天的稳定神经记录。NeuroWorm的研究成果于2025年9月发表在《自然》（Nature）杂志上。

四、前沿突破：从“静态”到“动态”的范式转换

2025年9月，中国科学院深圳先进技术研究院联合东华大学团队在《自然》杂志上发表了一项突破性成果——NeuroWorm（神经蠕虫）。这是国际上首次提出的脑机接口“动态电极”新范式。

传统植入式电极均为“静态”——植入后只能固定位置、局限采集，无法对周边环境做出响应性调整。NeuroWorm则是一根直径仅196微米、柔软可拉伸的纤维电极，沿纤维长度方向独立分布了60个生物电信号采集通道。研究团队在纤维头部嵌入了一个微小的磁控单元，结合高精度磁控系统和即时影像追踪技术，使电极能够在体内自主调控前进方向。在磁场控制下，NeuroWorm实现了在兔子颅内“游走”，并根据需要主动更换监测目标。

这一突破的意义在于：电极从被动的“固定传感器”升级为主动的“可移动探测器”——既能在大脑不同区域之间切换监测目标，也能在肌肉等外周组织中长期稳定工作。它标志着生物电子接口从静态操作向动态操作、从被动记录向主动响应的根本性转变。

五、从实验室到临床：脑机接口电极的产业化进程

2026年5月18日，我国首个128通道全植入式脑机接口系统多中心临床试验正式启动，采用皮层内植入式柔性线性电极。北京脑科学与类脑研究所方英研究员团队提出了原创性的高通量可拉伸柔性电极架构，通过应变解耦将拉伸负载转化为弯曲与扭转变形，使电极在植入后能够动态跟随大脑的搏动与颅内位移。搭载该新型电极的无线侵入式脑机接口系统即将进入临床试验阶段。

2025年全球植入式脑机接口高密度电极阵列市场规模达到约12.8亿美元，较2020年增长超过470%，其中医疗康复类应用贡献了71.3%的份额。全球医用柔性生物电极市场规模约2.45亿美元，预计到2032年将接近7.28亿美元。柔性薄膜电极与微针阵列电极的出货量同比增长分别达到89%和127%。

六、先进院的能力：柔性基材与精密金属化的技术积累

先进院（深圳）科技有限公司在脑机接口电极领域可提供的核心能力，根植于两大技术支柱。

柔性基材精密加工是电极制造的基础。公司具备在PI、Parylene、PDMS、PET、PEN等多种柔性薄膜上进行高精度微纳加工的能力，支持定制化电极图案设计与多层结构叠加工艺。针对脑机接口电极对超薄、高柔韧性的特殊要求，公司可提供基材厚度低至数微米的定制化方案。

柔性基材金属化镀膜是电极功能实现的关键。公司成熟的卷对卷磁控溅射与真空蒸镀工艺，支持在柔性基材上准确沉积金、铂、铱、钛等生物相容性金属导电层，镀层厚度与均匀性可准确控制。结合导电聚合物（PEDOT:PSS等）表面修饰工艺，可进一步优化电极的阻抗与电荷注入能力。

七、展望

全球脑机接口市场正处于高速增长通道。2025年全球非侵入式脑机接口市场估值已达48.7亿美元，预计2030年有望达到312.5亿美元。柔性电极技术作为神经工程领域的革命性技术，正通过卓越的生物相容性实现神经电生理信号的高保真采集与长期稳定传输。

从刚性硅基到柔性聚合物、从静态固定到动态可控、从实验室研究到多中心临床试验——脑机接口电极的技术演进正在加速。先进院（深圳）科技有限公司将持续深耕柔性基材精密加工与金属化镀膜领域，为脑机接口电极的产业化提供关键材料与工艺支撑。