研究背景

人类大脑皮层具有复杂的脑回（gyri）-脑沟（sulci）折叠结构，受性别、年龄、身高、利手等因素影响，存在显著的个体差异，是每个人独有的“神经指纹”。这种个性化的拓扑结构，对神经接口的适配性提出了极高要求。

传统的皮层脑电图(ECoG)电极存在三大无法解决的核心痛点：

1. 设计通用性缺陷：采用光刻技术批量生产，“一刀切”的标准化设计无法适配个体大脑的异质皮层拓扑结构，导致电极-组织接触不良、信号丢失，需要复杂的信号后处理，易引入数据偏差。
2. 机械性能失配：刚性电极与柔软的脑组织（杨氏模量仅0.1–10 kPa）刚度差异巨大，呼吸、血流等生理微动会加剧组织位移，引发信号不稳定、异物反应和慢性炎症。
3. 生物相容性局限：长期植入易引发瘢痕组织形成，进一步恶化信号采集效果，甚至带来安全风险；现有柔性电极也无法实现针对患者脑回结构的定制化适配，仍会造成组织变形和信号质量下降。

为解决上述行业痛点，本研究开发了一套集MRI解剖学建模、有限元分析(FEA)力学优化、直写式(DIW)3D打印于一体的全流程个性化神经接口平台，首创了蜂窝仿生类组织生物电极HiPGE。

研究内容

1. 患者大脑3D重建与HiPGE蜂窝仿生设计

研究团队基于OASIS公开数据库中21名患者的MRI数据，通过3D Slicer软件重建了个体3D大脑模型，量化分析发现个体间脑尺寸、脑回复杂度存在极显著差异，直接证明了传统“一刀切”电极设计的局限性。

受天然蜂窝结构启发，团队设计了HiPGE蜂窝仿生可打印凝胶电极：采用六边形晶格单元，通过六重旋转对称实现各向同性弹性，多孔结构大幅提升了机械强度、柔性和曲面贴合性，同时可最大化皮层覆盖面积，不阻碍颅内液体交换，解决了传统ECoG电极阻碍脑脊液流动的问题。

图1 用于ECoG记录的个性化HiPGE电极整体设计
(a) 个性化HiPGE在体感皮层和运动皮层（指定ROI）进行ECoG记录的原理图；(b) ROI示意图，展示大脑皮层的脑回(gyrus)和脑沟(sulcus)解剖结构；(c,d) 三个解剖平面示意图(c)，以及矢状面、横断面、额状面的MRI结构图像展示(d)；(e) 不同个体皮层表面的差异展示，以及脑回结构的截面放大图（330号患者为左利手，349号患者为双利手）；(f) HiPGE设计示意图；(g) 植入后贴合皮层表面的HiPGE侧视图。

2. FEA有限元分析引导的力学设计与性能评估

为实现与脑组织的力学性能精准匹配，团队通过有限元分析(FEA)对电极结构进行了系统优化，核心结果如下：

• 相同材料下，HiPGE的蜂窝结构比四边形多孔设计的弯曲刚度降低3倍，弯曲刚度与脑组织（0.1–10 kPa）高度匹配，远优于PDMS、SBS、金属等对照组；
• 贴合性仿真显示，HiPGE与脑组织的平均贴合距离仅2.66 mm，远优于PDMS对照组(4.16 mm)和SBS对照组(5.22 mm)，同时对脑组织造成的应变变形最小；
• 电信号连通性仿真验证，HiPGE实现了近乎完美的电极连通率，远超非个性化、刚性对照组，彻底消除了接触不良导致的信号盲区。

图2 仿真得到的HiPGE力学与电学性能
(a) HiPGE（粉色星标）、脑组织（灰色矩形）与其他对照器件的弯曲刚度对比；(b) 贴合性仿真设置示意图，HiPGE悬浮于MRI重建的3D大脑模型上方，通过重力沉降贴合脑表面；(c) 贴合性仿真后器件与脑组织贴合的最终构型，色阶图展示器件到脑表面的距离；(d) HiPGE与对照组的贴合距离分布概率直方图；(e) 贴合性仿真后变形的脑组织，色阶图展示脑组织上的对数应变分布；(f) HiPGE与对照组的对数应变分布概率直方图；(g) 脑表面HiPGE的仿真示意图；(h) 连通性仿真结果，HiPGE上的电极展现出良好的信号连通性；(i) 不同器件的信号连通率对比。

3. 基于直写式(DIW)3D打印的HiPGE制备与机械性能验证

HiPGE采用三明治结构设计：PDMS作为上下封装层，PEDOT:PSS/聚氨酯双连续导电聚合物水凝胶作为核心电极层。通过直写成型(DIW)3D打印技术实现一体化制备，打印分辨率可达100 µm。

团队随机选取5名患者的3D大脑模型，完成了定制化HiPGE的设计与打印，验证了电极位点可精准匹配个体脑回轮廓。机械性能测试显示，HiPGE的极限拉伸应变可达160%，具备优异的拉伸性和鲁棒性，可完美适配大脑的动态生理环境。

图3 面向患者个体大脑的3D打印个性化HiPGE
(a) HiPGE结构示意图（三层结构：底层、电极层、顶层；三个功能部分：界面区、互连区、I/O区）与3D打印实物照片；(b) 打印在玻璃基底上的单一个体器件底层照片；(c) 器件顶层打印过程图；(d) 打印在玻璃基底上的个性化HiPGE示意图；(e-i) 5款患者特异性HiPGE分别贴合对应患者大脑右半球模型的实物图（e-6号患者、f-39号患者、g-285号患者、h-16号患者、i-349号患者）；(j) HiPGE易操作性展示；(k) 5款不同患者定制化HiPGE的设计与尺寸对比；(l-m) HiPGE未拉伸(l)与拉伸(m)状态的实物图；(n) 349号患者定制HiPGE的工程应力-应变曲线。

4. HiPGE电学性能系统表征

团队通过电化学测试全面评估了HiPGE的电学性能，核心结果如下：

图4 HiPGE电学性能表征
(a,b) HiPGE、铂(Pt)电极、不锈钢(SS)电极的电化学阻抗谱(EIS)；(c-f) 100 Hz下的阻抗(c)与相位(d)、1000 Hz下的阻抗(e)与相位(f)对比；(g) HiPGE与对照电极的电流密度-电位曲线；(h,i) HiPGE与对照电极的电荷存储容量(CSC)(h)、电荷注入容量(CIC)(i)对比。

5. 大鼠在体功能验证

团队通过大鼠活体实验，完成了HiPGE的在体功能验证，实验采用同体对照设计：在大鼠视觉皮层双侧植入，左侧为定制化HiPGE，右侧为传统电极，在清醒大鼠中记录视觉诱发电位(VEP)。

核心实验结果：

• HiPGE记录的诱发电位信号质量显著优于传统电极，尤其是边缘通道的信号表现提升更为明显；
• 量化分析显示，HiPGE的信噪比(SNR)显著高于传统电极，边缘通道提升极显著（p<0.0001）；
• 两种电极的峰潜伏期、振幅方差无显著差异，证明HiPGE在保证波形一致性的同时，大幅提升了神经信号采集的保真度。

图5 大鼠皮层植入HiPGE的在体记录实验
(a) 大鼠及其视觉皮层示意图；(b) 大鼠大脑视觉皮层植入HiPGE的示意图；(c) 同体实验设计示意图，左半球植入HiPGE，右半球植入传统电极，通过光刺激诱发皮层响应；(d) 清醒大鼠中HiPGE与传统电极记录的视觉诱发电位(VEPs)，展示6个通道的试次平均波形；(e) 所有动物的信噪比(SNR)量化结果对比。

6. 组织形态完整性与生物相容性多模态评估

团队完成了HiPGE的MRI兼容性与长期生物相容性验证：

• MRI兼容性：7T小动物MRI扫描显示，植入HiPGE后，结构和功能MRI图像均无明显畸变或信号丢失，左右半球的信号强度无显著差异，可与MRI检查兼容使用。
• 长期生物相容性：植入4周后，组织学染色结果显示，HiPGE植入区无明显胶原纤维沉积（Masson染色）、无明显组织结构破坏（H&E染色）、小胶质细胞激活水平与非植入区无统计学差异（Iba-1染色），证明无明显免疫反应和瘢痕形成，具备优异的长期植入生物安全性。

图6 HiPGE植入大鼠大脑的MRI扫描与在体生物相容性评估
(a,b) 手术前（无HiPGE）(a)与手术后（植入HiPGE）(b)大鼠大脑的结构与功能MRI图像；(c) 手术前后大鼠左、右体感运动皮层的体素信号强度对比；(d-g) 植入4周后大鼠大脑的组织学染色结果：Masson三色染色(d)、H&E染色(e)、Iba-1/DAPI免疫荧光染色(f)，以及植入区与非植入区的放大视图(g)。

研究结论

本研究开创性地构建了一套集个性化解剖建模、力学仿真优化、3D打印制备于一体的神经接口全流程平台，研发出蜂窝仿生类组织生物电极HiPGE，彻底解决了传统ECoG电极的核心行业痛点，核心结论如下：

1. 力学性能突破：HiPGE实现了与脑组织的弯曲刚度精准匹配，结合蜂窝仿生多孔结构，具备远超传统电极的皮层贴合性，最小化了植入后的组织变形与机械损伤。
2. 电学性能领先：基于导电聚合物水凝胶的电极设计，实现了超低界面阻抗、超高电荷存储与注入能力，可完成高保真神经电信号采集，信噪比显著优于传统刚性电极。
3. 生物安全性优异：大鼠在体实验验证，HiPGE具备良好的MRI兼容性，植入4周后无明显炎症反应、瘢痕形成和组织结构破坏，满足长期慢性植入的临床需求。
4. 产业化价值突出：基于DIW 3D打印的制备工艺，同时实现了患者特异性定制与规模化低成本制备，大幅降低了个性化神经植入物的生产门槛与医疗成本。

本研究为下一代自适应神经接口技术建立了全新的技术范式，为脑机接口、神经假体、癫痫/帕金森等疾病的临床神经调控治疗提供了变革性的解决方案，推动了个性化神经接口从实验室走向临床应用。

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