脑机接口是神经医学、康复工程与人工智能交叉领域的前沿技术，电极与脑组织之间的神经融合界面直接决定设备使用寿命、信号采集精度与临床安全，是实现长期稳定神经记录、闭环精准神经调控的根基。
业内临床试验暴露了当前界面技术的短板：首例受试者植入三个月，电极丝因脑部异物免疫反应发生回缩，有效采集通道大幅衰减、信号质量大幅下滑(https://www.unilad.com/technology/news/first-neuralink-patient-says-85-percent-implant-detached-635152-20240524)。究其根源，植入电极会持续诱发脑组织慢性免疫炎症，大量蛋白、细胞在电极表面沉积形成绝缘胶质瘢痕，隔绝电极与神经元；长期植入后电极与脑组织发生不可逆“生物粘连”，设备老化故障后难以安全取出，二次手术极易造成脑组织撕裂损伤。现阶段柔性基底、导电高分子、单一功能修饰涂层等技术仅能改善某一项缺陷，无法同步实现长效抑菌、抑制生物污损、削弱免疫排斥、稳定电学性能、电极无损回收等五项临床刚需，成为脑机接口落地临床卡点。
近日，中国科学院理化技术研究所生物材料与应用技术研究中心张维团队联合首都医科大学北京天坛医院孟凡刚团队、上海微系统与信息技术研究所孙鎏炀团队、NeuroXess（脑虎科技），研发出一款多功能阳离子交替肽电极界面涂层（OG），兼顾优异生物相容性、广谱抗菌、抗蛋白与离子黏附、强效抑制异物反应四大特性，且不破坏电极电化学性能。改性的柔性神经电极，在动物模型中完成多项突破性验证，为超长期服役、可无损更换的临床级脑机接口提供通用解决方案。
图1 多功能聚氨基酸脑机界面神经融合示意图
该多肽修饰材料可适配硅、金、聚酰亚胺、医用聚氨酯等多种植入器械基底，通过表面共价接枝形成超薄修饰层，通过适度高电势活性与氢键水合屏障实现多重功能协同，不改变电极本身力学与电学属性。团队将修饰后的柔性电极植入大脑运动皮层开展长达 300天连续在体电生理测试，对比裸电极实现多项核心性能跨越：裸电极植入 90 天有效记录通道大幅衰减，300 天无法捕捉神经元放电信号；修饰电极植入满 300 天有效工作通道无衰减，神经元动作电位幅值持续维持在 155 μV 以上。在神经刺激调控层面性能提升尤为突出，植入 300 天后，普通裸电极需要 100 μA 大电流才能诱发微弱肢体运动，而修饰电极仅需 2 μA 即可触发明显运动反馈，神经调控综合效率提升 50 倍。
图2 长期神经记录、调节及脑组织生物学评价结果
取出实验证实，该涂层有效阻止 “生物粘连”，电极完整无损取出，脑组织无大面积损伤；脑组织免疫染色显示，改性电极周边星形胶质细胞、巨噬细胞数量仅为裸电极组 1/5 左右，电极 500 μm 范围内神经元密度接近健康脑组织，解决传统电极周边 “神经元荒漠” 难题。
研究整合转录组、空间转录组多组学解析分子机制：裸电极植入诱发全谱炎症通路激活、突触传递与离子通道通路抑制，形成损伤型分子特征；交替肽修饰显著抑制补体、TLR 炎症通路，恢复神经递质释放、钠钾离子通道、突触可塑性相关基因表达，将宿主组织响应由促炎损伤状态重塑为修复稳态微环境，从分子层面解释长效稳定记录、低刺激阈值的内在机理。
该交替肽涂层具备较强通用性，为长效脑机接口、迷走神经刺激、神经传感、植入式医用电子设备临床转化开辟了新的可行路径。相关工作发表在 Advanced Materials 上。论文共同第一作者为中国科学院理化所副研究员邵玫瑜、上海微系统所研究员孙鎏炀和中国科学院理化所高级工程师曲巍；通讯作者为张维研究员、孟凡刚主任医师。北京航空航天大学黄安平团队、中国科学院半导体所裴为华团队、深圳先进院王怀雨团队为本研究电化学性能测试提供关键技术支撑。
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