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植入式微电极阵列是连接大脑与外部设备的“桥梁”，既能帮助科学家解析脑活动机制，也能为瘫痪患者提供神经假体控制等临床解决方案。但长期以来，这类电极始终面临一个“两难选择”：金属（如钨）或硅基电极虽导电性能优异，但其杨氏模量（硅约200GPa，钨约170-220GPa）与软质脑组织（仅数十kPa）相差1-6个数量级，插入时易造成脑组织微损伤，长期植入还会引发慢性炎症和胶质增生，导致信号逐渐衰减；聚合物基电极虽能匹配脑组织柔性，却因固有导电性差，难以稳定捕捉微弱的神经信号。
为了弥合这一差距，首尔国立科技大学机械与汽车工程系的Jong G. Ok副教授以及韩国科学技术研究院（KIST）脑科学研究所的Maesoon Im博士带领的研究团队，开发出了一种带有碳纳米管（CNTs）三维“森林”结构的微电极。这种微电极既能像金属一样高效导电，又能像软组织一样灵活弯曲。嵌入在弹性聚合物基底中的该阵列，其柔软度约为硅的4000倍，约为聚酰亚胺的100倍。
制备、结构与工艺
碳纳米管微电极阵列的制备与结构 @Advanced Functional Materials
研究团队通过化学气相沉积（CVD）技术，在基底上生长出长度800-900μm的垂直碳纳米管森林——这种结构能最大化碳纳米管的轴向导电性（优于铜、铝），同时保留其机械柔性。随后，通过电子束蒸发沉积Al₂O₃支撑层和Fe催化剂，精准控制碳纳米管的生长密度和排列方向。
为提升结构刚度，采用丙酮蒸汽处理实现毛细管力致密化。将碳纳米管森林暴露于180℃丙酮蒸汽中，利用蒸汽冷凝产生的毛细管力，减少碳纳米管间的纳米孔隙，使结构更致密坚固，投影面积缩减约92.66%，为插入脑组织提供足够支撑。
最后通过气压辅助柔性化工艺，将低粘度聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体（与己烷按10:5比例稀释）通过毛细管力均匀浸润致密化的碳纳米管森林，再通过16-24psi的可控气压调节PDMS固化后的暴露长度（444-753μm）。
最终形成的“碳纳米管+PDMS”复合结构，既保留了碳纳米管的高导电性，又借助PDMS的柔性和生物相容性，实现与脑组织的“无缝贴合”。
低粘度PDMS依次渗入致密碳纳米管微电极阵列的视频。当PDMS从外边缘逐渐引入时，毛细管力驱动其均匀渗入碳纳米管微电极单元，确保完全覆盖样本。@Advanced Functional Materials
测试与验证
测试结果显示，这种新型微电极的杨氏模量约为54MPa，比硅基电极软4个数量级，比常用的聚酰亚胺（PI）电极软2个数量级，完美匹配脑组织机械特性；1kHz频率下的阻抗仅为41.24kΩ，面阻抗约0.015kΩ·μm⁻²，性能优于金、氮化钛（TiN）等传统低阻抗电极。
在小鼠体内神经信号记录实验，证实了该设备能够记录来自视觉皮层神经元（位于大脑后部的视觉中枢）的光诱发反应。团队将微电极阵列植入小鼠初级（V1）和次级（V2）视觉皮层边界，通过强/弱白光刺激诱发神经活动。结果显示：V1区神经元对光刺激响应强烈，强光下峰值放电率最高达204.84Hz，弱光下为87.10Hz，且跨31次试次的信号一致性极高；V2区神经元仅记录到自发活动，未对基础光刺激产生明显响应——这与“V1处理基础视觉特征、V2处理复杂特征”的脑功能分工完全吻合，证明电极能精准捕捉神经信号的功能特异性。
这些发现为视觉假体的应用开辟了可能性，特别是对于视网膜退化或视神经损伤的患者。此外，该技术还可扩展到用于脑机接口的皮层植入物以及神经科学中研究视觉处理的工具。
利用碳纳米管微电极阵列在小鼠模型中进行全系统脑信号记录和光刺激。@Advanced Functional Materials
生物相容性测试中，将直径80μm的新型电极与传统钨丝电极植入小鼠海马1个月后，免疫组化分析发现：新型电极周围的星形胶质细胞（GFAP标记）表达量仅为钨丝电极的1/3，小胶质细胞（Iba1标记）激活程度也显著降低（0-80μm区域p<0.01），且无明显神经元异常聚集。这得益于电极与脑组织的机械匹配性，减少了长期微动造成的慢性损伤。
“通过将垂直排列的碳纳米管与柔性聚合物相结合，我们在一个设备中同时实现了高电性能和机械柔顺性，”主要作者Ok博士表示，“这种双重能力使我们能够在不伤害周围组织的情况下，实现长期、稳定的神经接口。”
这项研究不仅为神经科学研究提供了更精准的“观测工具”，也为临床脑机接口技术落地铺平了道路。团队已启动直径10μm以下的亚细胞级电极研发，目标是实现单个神经元的精准调控。未来，该技术可进一步应用于神经科学的基础研究，如更长期、高保真地记录大脑皮层、海马等区域的神经活动，助力阿尔茨海默病、帕金森病等神经疾病的机制解析；以及应用于临床转化，可以为瘫痪患者开发更稳定的运动功能假体，或为失明患者提供视觉神经刺激。
*本文主要基于6月27日发表于《Advanced Functional Materials》的《Polymer-Incorporated Mechanically Compliant Carbon Nanotube Microelectrode Arrays for Multichannel Neural Signal Recording》一文，研究团队来自韩国科学技术院（KIST）、首尔科技大学、高丽大学等机构，得到了韩国国家研究基金会（NRF）等项目的资助。视频和图片来自原文及网络，播客由豆包AI生成。仅用于学术分享，如有侵权请告知删除。
参考：
https://doi.org/10.1002/adfm.202509630
https://phys.org/news/2025-09-hybrid-nanotube-electrodes-safer-brain.html
