近期，西北工业大学报道了一种微创植入式3D软凸神经微电极（Soft Microbump Electrodes，SMBE），通过“软-柔”界面集成实现了平面柔性电极结构三维化，能够缓冲自适应颅内外压力变化，并始终保持与硬膜/软脑组织弹性接触，为长期稳定获取高保真皮层脑电信号ECoG提供了一种新思路。相关结果于近日在期刊npj Flexible Electronics（IF=15.5，中科院一区TOP）发表。

脑科学研究和脑疾病治疗离不开微创植入式神经电极作为前端传感器，其中植入式柔性皮层微电极在癫痫监测、运动意图解码、语音解码、视觉恢复等临床落地场景中正得到越来越多研究者的关注。然而，该类电极依旧长期面临两方面技术难题：一是如何保持电极-组织近距离接触，避免因空隙引入空气，从而减小接触阻抗和位点串扰，有效提高脑电信号采集质量和电刺激空间分辨率；二是如何保持电极与组织机械性能匹配，具有材料柔软、精度优良、强度可靠特性，更好地缓冲颅内外压力变化，降低组织出血、炎症等风险。

现有研究主要集中在通过材料实现电极与组织保形接触。电极-组织缓冲接触也至关重要，但很容易被忽视，特别是对于体内的长期作用。在实验动物中，牙科水泥是一种成熟的技术，用于将柔性薄膜电极固定在皮质表面，替换移除的颅骨，并建立基座来支撑PCB板和连接器。在暴露的皮层表面放置柔性电极，通常也使用盖玻片作为观察窗。原始骨瓣是另一种将柔性电极保持在原位的密封方法。上述刚性盖板在垂直方向上直接给非弹性薄膜电极带来由外至内的压力，并转移到其下方的软脑组织，存在炎症或组织损伤的潜在风险。

一些研究人员意识到该问题的潜在严重性，通过添加明胶压缩海绵或有机硅弹性体，或在电极制造中添加细菌纤维素、水凝胶超软衬底，来建立覆盖物和电极之间的弹性接触关系。此外，可以用硅胶制成的软人造硬脑膜代替刚性玻璃用于长期稳定观察电极。值得注意的是，由血管脉动、呼吸和行为运动引起的由内而外的压力，也会导致严重的电极-组织相互作用，颅内压的同时变化和脑微运动是不可避免的，例如，在麻醉大鼠中，呼吸导致2-25µm，血管搏动导致1-3µm的皮层位移量。因此，需要在电极设计中考虑具有自适应变形能力的缓冲界面。

为了进一步提高电极-组织界面的电子-离子导电性，采用了三维凸出结构的微电极点。电极与皮层信号源之间的距离越近，不仅可以提高记录的信号质量和刺激的空间选择性，还可以降低接触阻抗和电极位置串扰。相比之下，由PI或PDMS衬底封装的传统二维平面电极，从凹陷电极点位置到组织之间有一段距离（数微米~数百微米），这可能会捕获气泡或导致蛋白质积聚在电极表面，并增加界面阻抗。上述不可避免的颅内压变化和脑微动可能导致二维平面电极与硬脑膜接触不良。与此同时，大多数报道的3D凸起微电极高度有限（<30微米），并且与制造工艺有关，鲜有弹性接触变形能力。

本研究报道了一种基于聚酰亚胺的3D电极阵列（4通道，可按需扩展），包裹在柔软硅胶微凸起表面（高度约为330微米），具有缓冲接触能力，可靠的机械强度和不受皮层影响的记录稳定性。3D软凸神经微电极具有易于复制的制造工艺、持久的循环压缩恢复能力。大鼠开颅后植入该电极，同时拔动胡须和施加外部压力，能够获得敏感且稳定的脑电信号响应。

图1. 3D软凸神经微电极SMBE概述 a) 体内常见但容易被忽视的由外向内和由内向外压力引起的电极-组织相互作用；b) SMBE电极点在外界压力下的自适应变形示意图；c) 爆炸视图；d) 二维和三维状态下带有爪形微结构的SMBE电极点照片；e) 具有4个位点的SMBE电极阵列；f) 超深度显微镜下SMBE电极点高度测量；g) 微凸起中心带误差带（n=10）的高度曲线。(图片来自原文)

图2. SMBE电极阵列的结构设计和微纳加工工艺(图片来自原文)

图3. SMBE电极的力学特性表征(图片来自原文)

图4.  SMBE电极的电化学特性表征(图片来自原文)

图5. SMBE电极的生物相容性评价及动物实验验证(图片来自原文)

图6. SMBE电极对胡须刺激和自外向内压力的在体神经响应(图片来自原文)

本工作重点介绍了一种具有缓冲接触能力的三维软凸神经微电极（SMBE）作为一种新型的微创脑机接口。根据现有的研究，“由外向内”和“由内向外”的体内压力变化对电极适应组织变形的能力容易被忽视。与现有报道其他柔性3D电极相比，本文提出的SMBE电极具有高度大、柔软性好、扩展性强的明显优势。电极的高度可以根据需要设计，柔软性有助于减少对目标组织的机械损伤。易于定制的3D软凸起结构和与柔性电极的通用组装方法，可以扩展应用到脊髓、周围神经、类器官等对象。此外，电极与组织的微压缩界面，有助于提高记录的信噪比和控制刺激阈值。

未来，3D软凸神经微电极阵列将在以下四方面进一步完善：

(1) 微型化：虽然目前的成型工艺实现了硅胶微凸起的可靠装配和预成型三维柔性电极阵列，但在满足模具加工精度和对准能力的前提下，对更微小的结构提出了新的挑战；

(2) 高通量集成：随着电极通道增加到数百个甚至更多，高成品率和一致性对电极提出了更严格的要求；

(3) 长期植入：3D电极的可靠性需要至少3个月的体内进一步验证，组织增殖和炎症反应也需要进一步验证；

(4) 顺应性：柔软的硅胶底座可以进一步变薄和结构化，以更好地符合任何复杂的组织曲率。

综上所述，3D软凸神经微电极是一种很有前途的神经接口，具有缓冲脑组织形变的长效接触能力，可用于长期记录皮层脑电信号，为神经科学研究和临床应用提供了创新和实用价值。

论文作者

西北工业大学无人系统技术研究院吉博文副教授、研究生孙凡淇、薛凯为本论文共同第一作者，西北工业大学扈慧静副教授、常洪龙教授，杭州电子科技大学王明浩副研究员为共同通讯作者。

论文信息与链接

Ji B, Sun F, Xue K, et al. 3D soft microbump electrodes for elastic interaction with brain tissue[J]. npj Flexible Electronics, 2025, 9(1): 96.

https://www.nature.com/articles/s41528-025-00480-x

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