Adv. Mater.:可3D 打印、仿蜂巢结构的组织样生物电极用于个性化神经接口

研究背景

      人脑具有独特且个体差异显著的脑回（沟回）结构，这要求神经接口设备必须个性化定制，以实现精准的神经调控，并最大限度减少因机械不匹配导致的信号损失和组织不良反应。然而，传统的硬质皮层脑电图（ECoG）电极是为大规模光刻生产而标准化的“一刀切”设计，无法适应个体化的大脑地形，导致电极-组织接触不良、信号退化，并加剧炎症反应。尽管已有研究探索基于软材料的电极，但在为患者特定脑回模式进行个性化定制方面仍然存在不足。

研究内容

美国宾夕法尼亚州立大学Tao Zhou、Sulin Zhang、Nanyin Zhang团队提出了一个集成的创新平台，用于制造患者特异性的神经接口。该平台融合了基于磁共振成像（MRI）的解剖结构映射、有限元分析（FEA）优化的机械设计以及直接墨水书写（DIW）3D打印技术。其核心是受蜂窝结构启发的可打印凝胶电极（HiPGE），它采用仿生蜂窝状结构并使用超软水凝胶，其弯曲刚度（0.1-10 kPa）与脑组织相匹配。这种机械上的匹配确保了电极对大脑皮层表面的卓越贴合性，避免了传统硬质电极的几何和材料限制。该研究通过力学模拟、电化学表征、大鼠活体视觉诱发电位（VEP）记录以及植入后长达四周的组织学评估，全面验证了HiPGE在信号记录保真度、生物相容性和长期稳定性方面的优越性能。该工作以“3D-Printable, Honeycomb-Inspired Tissue-Like Bioelectrodes for Patient-Specific Neural Interface”为题，发表在Advanced Materials期刊上。

文章亮点

1. 患者特异性设计：基于MRI数据重建个体脑模型，根据个体沟回结构定制电极布局，实现真正意义上的个性化神经接口。

2. 仿生蜂窝结构：引入六边形蜂窝状多孔设计，显著降低弯曲刚度（比四边形结构降低三倍），同时保持结构完整性和液体通透性。

3. 力学与电学性能协同优化：通过FEA模拟指导电极几何设计，确保与脑组织力学匹配；采用PEDOT:PSS导电水凝胶，实现低阻抗（<10 kΩ）、高电荷注入能力。

4. 体内外性能验证：在大鼠模型中，HiPGE在边缘通道的信噪比显著优于传统电极，且植入4周后组织学分析未见明显炎症或纤维化反应。

5. 3D打印可扩展性：采用DIW 3D打印技术，实现低成本、高精度、可扩展的患者特异性电极制造，为临床转化奠定基础。

图6：通过植入前后MRI扫描以及植入4周后的组织学分析（Masson、H&E、Iba-1染色），证明HiPGE具有良好的MRI兼容性，且未引起明显的组织形态改变、胶原沉积或小胶质细胞激活（神经炎症），生物相容性优异。

M. Momin, L. Feng, X. Chen, et. al., 3D-Printable, Honeycomb-Inspired Tissue-Like Bioelectrodes for Patient-Specific Neural Interface, Advanced Materials, 2026; 0:e16291. https://doi.org/10.1002/adma.202516291