Adv Funct Mater：基于石墨烯纤维的生物微电极用于精确神经信号记录

 准确提取电生理信号对于推进精神疾病发病机制的研究至关重要。然而，目前的生理电极仍面临着显著的挑战，包括模量失配、生物相容性差以及信噪比欠佳。其中孔隙结构调控是制备高性能生理电极的关键所在。在此，本文采用非液晶纺丝结合剪切诱导取向工艺制备了具有取向孔隙结构的石墨烯纤维，该纤维表现出高电导率（109.73S/cm）、合适的界面阻抗（14.23Ωmm²）和高电荷存储电容（82.89mC/cm²）。在涂覆二氧化硅（SiO₂）和水凝胶层后，石墨烯纤维分别实现了侧面的电绝缘（从而防止电荷泄漏），并建立了能有效降低界面模量的自适应界面。因此，它可以作为生物微电极用于精准检测目标脑区的神经活动，且提取的精神电生理信号具有 12.83dB的高信噪比。这项工作为构建下一代生物微电极提供了一种可扩展且具协同效应的策略，能够以相对较小的侵入性损伤实现高质量的电生理信号提取。

• 剪切诱导调控：本工作通过改变纺丝针头直径来精密控制剪切速率。找到最优区间，完美兼顾了高电导率、低界面阻抗和高电荷存储电容，打破了传统柔性电极“高导电与高孔隙不可兼得”的瓶颈。

• 自适应“刚-柔”动态转换：该工作创新的表面双网络水凝胶设计，使其在干燥状态下表现出类似金属的高模量，能够实现无辅助的精准、微创植入；而植入脑部吸水溶胀后，其模量迅速降至192.6 kPa左右，完美匹配软脑组织。

图 1. 用于采集生理电信号的生物微电极设计。

图 2. (a) 制备工艺及石墨烯片层取向排列的示意图；(b) 纺丝液在不同剪切速率下的动态粘度与剪切应力变化；(c) 所制备石墨烯纤维（GFs）的扫描电镜图像；(d) 所制备石墨烯纤维的横截面积；(e) 沿石墨烯纤维径向的二维 X 射线衍射图谱；(f) 归一化散射强度曲线。

图 3. 石墨烯纤维的电化学性能调控：(a) 片层取向对电子传输的影响以及孔隙结构对电荷存储的作用；(b) 通过四电极法测得的石墨烯纤维电导率；(c) 通过电化学阻抗谱获得的各石墨烯纤维的奈奎斯特图谱；(d) 各石墨烯纤维在-0.5至0.5V电位范围内、扫描速率为50mV/s下的循环伏安曲线；(e) 各石墨烯纤维的储荷电容；(f) GF_21G的Bode图；(g) 各石墨烯纤维在1kHz频率下的阻抗谱；(h) 石墨烯纤维与其他同类电极材料的比阻抗和储荷电容对比。

图 4. 石墨烯纤维的力学性能调控：(a) 用于模量匹配的水凝胶涂层和用于电绝缘的二氧化硅涂层示意图；(b) 等离子体处理后石墨烯纤维的接触角变化；(c) H@GFs（复合微电极）的光学显微照片及 (d) 横截面扫描电镜图像；(e) 石墨烯纤维与H@GFs的应力-应变曲线；(f) 石墨烯纤维与 (g) H@GFs 的伸长率、拉伸强度和杨氏模量；(h) 通过纳米压痕技术测得的湿态 H@GFs、干态 H@GFs 以及铂铱（PtIr）微纤维的力学性能；(i) 涂层前后电极的植入能力与模量匹配表现。

图 5. 在体视觉皮层信号记录评估：(a) H@GF_21G 植入小鼠视觉皮层特定区域的示意图；(b) 在黑暗静息状态和光刺激下，所记录神经元的带通滤波视觉诱发响应波形及 (c) 脉冲间隔分布；(d) 4 Hz 光刺激下神经活动的实时记录，从上到下依次显示：视觉刺激标记、带通滤波波形以及指示由光刺激诱发的动作电位的脉冲标记；(e) 用于分析神经元放电速率的刺激后时间直方图；(f) 不同刺激周期内分选出的单个神经元脉冲波形；(g) 脉冲的主成分分析；(h) 不同刺激频率下的时频调谐曲线；(i) 各刺激频率下单元的信噪比。

图 6. H@GFs 与 PtIr 的生物相容性评估：(a) 第 5 天时空白组、H@GFs 组和 PtIr 组的免疫荧光活/死细胞染色图像；(b) 细胞存活率；(c) 细胞毒性试验的 OD 值；(d) 电极植入 30 天后脑组织的免疫荧光图像；(e) 植入电极周围炎症细胞密度的定量分析；(f) 展示植入 30 天后植入位点的马松三色染色图像，包括植入位点全景图和局部放大图；(g) 根据图 (f) 计算得到的胶原容积分数（CVF）。

本研究成功开发了一种具有可调弹性模量的微纤维神经电极。通过调控石墨烯片层的孔隙大小和取向，获得了尺寸与单个神经元相当的石墨烯纤维。这些纤维表现出高电导率、低比阻抗和优异的储荷电容。此外，通过表面改性并涂覆稳定的双网络水凝胶，该电极在干态下展现出类似金属的力学性能以利于轻松植入，而在湿态下则能匹配脑组织的低模量。这种设计有效地防止了电荷泄漏，确保了稳定的生物力学界面，并表现出卓越的生物相容性。基于这些结构创新和性能优化，该电极能够可靠地记录小鼠视觉皮层中的单神经元脉冲信号，并在不同频率的光刺激下实现了高时间分辨率。它为柔性神经电极和器件-组织界面的设计提供了一种系统性的解决方案，在监测神经系统和管理精神疾病方面展示出重要价值。此外，这种柔性生理电极的组成还可以通过先进的空间或多功能集成进行进一步优化，为复杂的神经生物学研究提供了广阔的前景。

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