植入式传感器技术四大创新方向 ©Biosensors
神经疾病已成为全球重大健康挑战，全球受阿尔茨海默病、癫痫、脊髓损伤等病症影响的人群数以亿计。传统诊断工具多存在侵入性强、监测间断等局限，治疗方案也难以适配个体神经生理特征。而植入式神经传感器凭借与神经组织的慢性、精准、多模态交互能力，突破了传统技术瓶颈，能够深入捕捉细胞与回路层面的电信号和生化信号，为破解神经疾病诊疗难题提供了核心工具。
近日，来自西南医科大学、宁波大学等机构的研究团队在最新发表的综述研究中，系统地梳理了工程学与脑科学交叉领域的植入式神经传感器技术最新进展。近年来柔性材料、超薄电子器件与可生物降解组件的融合，彻底改变了长期脑机接口的发展格局。无线通信、闭环刺激与AI辅助解码技术的整合，进一步推动这些技术从实验室走向临床应用，为阿尔茨海默病、帕金森病、脊髓损伤等神经系统疾病的早期诊断、长期监测与个性化治疗提供了革命性解决方案。
柔性神经接口作为慢性生物传感的核心创新方向，通过采用聚酰亚胺、聚对二甲苯、丝素蛋白等超薄软材料，实现了与脑表面的共形贴合，显著提升了长期接触稳定性。基于CMOS的柔性神经探针将有源放大与多路复用功能直接集成于接触位点，构建了具有数百个微电极的可扩展高密度记录界面，在降低手术复杂度的同时保障了数据可靠性。
导电聚合物（如PEDOT:PSS、聚吡咯）凭借高电荷注入容量和低阻抗特性，优化了生物-非生物界面的电化学转导效率，而有机电化学晶体管（OECTs）尤其是互补内部离子门控晶体管（cIGTs），通过离子-电子耦合实现了内在信号放大，在MHz带宽下达成200倍以上的放大效果，展现出优异的机械顺应性。
不过，技术成熟度上存在明显差异：CMOS基神经探针已接近TRL6-7（临床前动物验证阶段），而有机晶体管平台仍处于TRL3-4（概念验证和组件测试阶段），需进一步优化材料稳定性以满足慢性应用需求。
译者注：TRL（技术就绪水平）是由NASA提出、全球广泛应用的技术成熟度评估体系（共9级，1级最低、9级最高），从原理发现（TRL1）到商业验证（TRL9）体现技术应用从概念到市场的“里程表”。详见文末附表。
无线与可生物降解神经接口则为瞬态和闭环传感提供了微创解决方案，通过感应耦合、NFC能量收集与反向散射通信技术，结合镁、钼、丝素蛋白、PLGA等可降解材料，消除了刚性导线、大容量电池及二次手术的需求。
代表性技术包括用于封装完整性监测的镁基被动反向散射传感器、术后临时神经调控的可生物降解刺激器、用于伤口愈合的无线无电池电疗系统，以及基于钼电极的柔性NFC控制刺激平台。
这些系统在脊髓损伤运动功能恢复、术后疼痛管理、周围神经康复等领域展现出巨大潜力，其中无线脊髓接口已达到TRL7-8，而全降解系统仍处于TRL3-4，未来5年有望出现结合被动传感与按需主动刺激的混合系统进入人体试验。该类技术的核心权衡在于能量效率与功能丰富度：被动系统安全性高但数据容量有限，主动系统功能灵活却面临微型化与能量收集的挑战。
无线且可生物吸收的可植入系统 ©Biosensors
多模态与化学敏感神经传感器突破了单一电信号检测的局限，将电化学检测与电生理学相结合，实现了神经递质波动与神经元活动的时间对齐测量。
碳基微电极通过保形涂层稳定化处理，可借助快速扫描循环伏安法（FSCV）追踪亚秒级多巴胺瞬变，同时记录局部场电位/尖峰信号，为化学释放与网络振荡的事件相关分析提供了可能。选择性是核心技术挑战，研究者通过波形编码、酶/适配体修饰、纳米结构碳材料等策略，应对儿茶酚胺共氧化、pH变化及电活性干扰物带来的影响。
新兴的神经形态器件（如MoS₂电荷捕获元件）模糊了传感器与处理器的边界，能够在信号采集过程中实现节点级事件检测（如癫痫模式识别），有效降低无线数据传输负担，支持基于化学信息的闭环控制。
目前多模态探针处于TRL3-5阶段，在奖励回路与精神疾病模型中已展现出良好前景，若能解决选择性、稳定性与原位校准问题，短期内（≤5年）有望实现诊断导向的双模态探针转化。
多模态和神经形态传感平台 ©Biosensors
脑机接口（BMIs）作为最成熟的临床转化方向，通过无线皮质植入物与实时解码系统，实现了假肢、外骨骼的自主控制，已从原型研发进入早期临床试验。
无线脑-脊髓接口通过解码ECoG信号并闭环调节脊髓刺激，成功帮助脊髓损伤患者恢复自然行走，彰显了脑与外周双向通信在运动功能重建中的关键作用。“人在回路”优化策略借助嵌入式传感器动态调整假肢控制算法，实现了人机行为的协同适应，而慢性植入式薄膜电极阵列通过向皮层传递体感反馈，为假肢用户提供了触觉感知，推动了双向神经假肢的发展。
目前无线BMI原型已实现20Mbps传输速率与<15mW总功耗的平衡，噪声底低于10µV，但长期信号漂移（6个月内信号损失>15%）与免疫封装反应仍是亟待解决的问题。随着Neuralink、Blackrock Neurotech等企业的商业化推进，脑机接口系统有望在未来3-5年内在瘫痪、肢体缺失等特定适应症中实现临床部署。
尽管技术进展显著，临床转化仍面临多重挑战。长期免疫反应、材料稳定性、封装耐久性等问题，以及监管审批、规模化制造等行业瓶颈，仍是制约技术普及的关键。对此，研究团队提出了包含生物整合、信号保真度、能量管理和数据效率的B-FED评估框架，为技术优化提供了量化标准。未来研究将聚焦自供电传感器、AI增强解码算法、可降解闭环系统等方向，同时兼顾隐私保护、公平获取等伦理考量。
研究指出，植入式神经传感器的核心突破在于实现了与大脑的“友好对话”——既不破坏神经组织，又能精准捕捉其动态变化，而这四项创新技术正在从不同角度往这一目标逼近，且在一定领域出现了交集。其中跨学科协作是技术演进的关键，未来需进一步整合材料科学、微制造、神经工程与临床医学的力量，推动技术从实验室走向临床，将彻底改变神经疾病的诊疗模式，为神经疾病患者带来更早的诊断、更精准的治疗和更高质量的生活。
标题：Emerging Implantable Sensor Technologies at the Intersection of Engineering and Brain Science
DOI：https://doi.org/10.3390/bios15110762
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