一、研究背景

人类大脑皮层具有高度复杂的褶皱结构（脑回与脑沟），且个体差异极大，受性别、年龄、惯用手等影响，每个人的脑回模式都独一无二。这种独特性决定了神经接口必须具备患者定制化能力，才能实现精准神经调控、降低组织排异、提高治疗安全性与效果。

传统神经接口（如硬质皮层电极 ECoG）采用光刻工艺批量生产，为标准化“一刀切”设计，存在三大关键问题：

1. 刚性电极与柔软脑组织力学不匹配，导致接触不良、信号丢失、长期炎症；
2. 无法适配个体脑回地形，贴合性差、信号稳定性低；
3. 生物相容性不足，易引发异物反应、疤痕形成。

为解决上述痛点，本研究提出一种蜂窝仿生、类脑组织柔软、可3D打印、患者定制化的新型生物电极 HiPGE。

二、研究内容

2.1 整体设计思路

研究整合三大核心技术：MRI 脑解剖成像、有限元分析（FEA）优化、直写（DIW）3D打印，实现从患者脑部数据到定制电极的全流程设计与制造。

电极核心为蜂窝仿生水凝胶结构，杨氏模量匹配脑组织（0.1–10 kPa），兼具柔软、可拉伸、导电、生物相容、可定制等优势。

图1 患者定制化HiPGE设计：(a) ECoG记录示意图；(b) 脑回/脑沟结构；(c,d) MRI三维视图；(e) 不同患者脑回差异；(f) HiPGE蜂窝结构；(g) 电极贴合皮层示意图

2.2 材料配方

HiPGE为三层结构：底部封装层、导电电极层、顶部封装层。

• 封装层（PDMS）：SYLGARD 186，A:B = 10:1
• 导电水凝胶电极层：
  • 6 w/v% PEDOT:PSS（导电聚合物）
  • 10 w/v% 聚氨酯（PU）
  • 溶剂：去离子水:DMSO = 85:15
  • 混合比例：PEDOT:PSS:PU = 1:3

2.3 制备步骤

1. 脑部模型重建：从OASIS数据库选取21例患者MRI，用3D Slicer重建3D脑模型，提取感觉运动皮层 ROI。
2. 电极设计：基于个体脑回模式，设计六边形蜂窝结构电极。
3. 墨水配制：PDMS混合脱泡；PEDOT:PSS+PU混合过滤。
4. DIW 3D打印：
   • 基底：玻璃片
   • 底层PDMS：100 psi，3.5 mm/s，125℃固化15 min
   • 导电层：25 psi，9 mm/s，100 μm分辨率
   • 顶层PDMS：同底层参数
5. 动物实验：大鼠左右脑分别植入HiPGE与传统电极，进行信号记录、MRI、组织学评估。

2.4 力学仿真结果

有限元分析（FEA）验证HiPGE力学性能：

• 弯曲刚度：与脑组织（0.1–10 kPa）高度匹配；
• 贴合距离：HiPGE 2.66 mm，PDMS对照4.16 mm，SBS对照5.22 mm；
• 组织应变：显著低于传统硬质材料；
• 信号连接率：接近100%。

图2 FEA力学仿真：(a) 弯曲刚度对比；(b) 贴合仿真模型；(c) 电极-皮层距离云图；(d) 距离分布；(e,f) 组织应变；(g,h) 电连接仿真；(i) 连接率对比

2.5 实物制备与力学性能

成功制备5例患者专属HiPGE，具备高柔韧性、高拉伸性（极限应变160%）、良好贴合性。

图3 3D打印HiPGE：(a) 三层结构；(b-d) 打印过程；(e-i) 五例定制电极贴合脑模型；(j) 可操作性；(k) 尺寸差异；(l-m) 拉伸；(n) 应力-应变曲线

2.6 电学性能

电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安（CV）测试：

• 1–100 kHz阻抗＜10 kΩ，远低于铂、不锈钢电极；
• 相位角接近0，离子-电子传导效率高；
• 电荷存储容量（CSC）、电荷注入容量（CIC）显著提升；
• 在PBS、aCSF中28天稳定性良好。

图4 电学表征：(a,b) 阻抗谱；(c-f) 100Hz/1kHz阻抗与相位；(g) CV曲线；(h,i) CSC、CIC对比

2.7 体内神经信号记录

大鼠视觉皮层植入HiPGE与传统电极，记录视觉诱发电位（VEP）：

• HiPGE信噪比（SNR）显著高于传统电极；
• 边缘通道提升最明显；
• 波形稳定、噪声低。

图5 大鼠体内实验：(a,b) 植入示意图；(c) 双侧对照；(d) VEP波形；(e) SNR对比

2.8 生物相容性与MRI兼容性

术后4周评估：

• MRI：无畸变、无信号丢失；
• 组织学：Masson染色无胶原沉积，H&E无结构破坏，Iba-1无明显小胶质细胞激活；
• 几乎无炎症反应、无疤痕形成。

图6 MRI与组织学：(a,b) 植入前后MRI；(c) 皮层信号强度；(d-g) Masson、H&E、Iba-1染色

三、研究结论

1. 力学匹配：蜂窝仿生结构实现脑组织级柔软度，显著提升贴合性与稳定性；
2. 患者定制化：MRI+FEA+3D打印实现个体脑回精准匹配；
3. 电学性能优异：低阻抗、高电荷注入、长期稳定；
4. 生物相容性好：无明显炎症、无疤痕、MRI兼容；
5. 应用价值高：适用于脑机接口、神经假肢、癫痫监测、神经调控治疗。

四、论文信息