软性生物电极采用受蜂窝启发的设计，使研究人员能够将其拉伸至患者大脑特定几何形状上，同时不牺牲结构强度或对电信号和生理信号的敏感性。图片来源：周涛（Tao Zhou）
根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究，专为完美匹配人脑表面而设计的软电极可能有助于推进神经退行性疾病的监测和治疗用神经接口。神经接口由能够追踪生物物理信号的微型传感器提供动力，这些传感器被称为生物电极。这些传感器通常由刚性材料制成，采用"一刀切"设计，难以匹配大脑复杂的结构。研究人员开发出一种新型3D打印生物电极方法，可拉伸变形以适应使每个大脑独特细微差异。
模拟独特脑部结构
研究团队使用软件基于21名人类患者的MRI扫描结果模拟详细大脑，塑造出针对大脑特定结构定制的电极组，然后3D打印电极和大脑模型。在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上发表的一篇论文中，他们报告称，与传统设计相比，他们的电极能更好地贴合大脑结构，同时保持有效性并具有生物相容性，即使在大鼠模型测试中也是如此。
人脑中的褶皱是通过称为"脑回形成"(gyrification)的过程产生的，大脑外壁的皮质层会聚集成称为"脑回"(gyri)的脊和称为"脑沟"(sulci)的沟。这有助于大脑各处的细胞高速通信，并使相对较大的器官能紧凑地容纳在颅骨内——展开的成人脑面积约为2000平方厘米，相当于两个大号披萨的大小。
为何"一刀切"设计效果不佳
宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学助理教授、沃姆利家族早期职业教授、该论文通讯作者周涛(Tao Zhou)表示，尽管主要皮质褶皱在个体间保持一致，但大脑脑回和脑沟的精确布局因人而异。然而，传统生物电极设计并未考虑这一点。
"每个人的大脑结构都不同，这取决于他们的身高、体重、年龄、性别等因素，"同时在宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和神经工程中心任职的周涛表示，"尽管如此，我们仍尝试将神经接口像安装在结构相同的大脑上一样。这促使我们基于患者大脑结构，为每个人创建定制电极。"
水凝胶与蜂窝设计
据周涛介绍，这些电极主要由一种富含水的材料——水凝胶(hydrogel)制成，以更好地匹配大脑的软组织和患者特定几何形状。此外，团队使用了一种新型蜂窝启发结构，这种结构提供了灵活性和强度，同时保持成本效益并可快速打印。
"蜂窝结构帮助我们显著降低电极的刚度，而不牺牲其机械强度，"周涛说，"更重要的是，这种结构帮助我们减少制造过程中使用的整体材料，降低了生产时间、成本和环境影响。"
从MRI扫描到3D打印匹配
生产过程始于获取患者大脑的MRI扫描，用于进行有限元分析(finite element analysis)——这一过程创建了人神经结构的详细模拟。然后将此分析渲染为患者大脑的3D模型，团队使用计算机软件定制生物电极，使其专门变形以适应大脑皮层的脊和沟。
成形后，团队使用直接墨水打印(direct ink printing)技术3D打印水凝胶电极，该技术可创建能够在相对小表面上监测和传输脑信号的电极。在这项研究中，团队3D打印了21名不同参与者大脑的模型，应用他们的电极并物理测量电极贴合脑表面的精确度。周涛解释说，传统制造方法需要无尘室等专业设施，使其定制成本极其高昂——3D打印使团队能够更快地个性化和制造电极，成本仅为传统方法的一小部分。
更柔软的接触，更强的大脑信号
与传统方法相比，基于水凝胶的电极更精确地跟随大脑结构。周涛表示，他们的方法产生的电极对大脑中存在的电信号表现出近乎完美的连接性。此外，由于这种弹性凝胶非常可塑，可以将其应用于软脑组织而不造成损伤，而其他设计中构成电极的刚性材料可能会损伤组织。
据周涛介绍，电极的柔软性使它们能够与大脑建立更紧密、更稳定的接触，从而促进更高品质、更可靠的监测。此外，采用这种方法制造的生物电极不会影响大脑周围的液体运输，这是大脑功能的一个关键方面，而许多传统电极会破坏这一功能。
"将电极个性化以匹配大脑特定结构显著提高了其可靠性，"周涛说，"因为它们更好地贴合大脑，信号质量本身得到了显著改善。"
在大鼠中的测试和未来应用
为了进一步研究他们的电极，团队将它们放置在大鼠模型的大脑上，持续28天。周涛表示，大鼠对打印的电极没有表现出任何免疫反应，这是生物设备开发中的一个关键考虑因素。此外，电极没有表现出性能下降，同时对大脑中的电和生理信号提供敏感且准确的读数。
周涛表示，他认为这种打印方法可以作为商业化规模打印针对特定患者定制生物电极的框架。尽管这些系统传统上用于监测神经活动，但团队计划探索个性化电极如何有助于神经治疗。
"我们正致力于进一步改进这项技术，以优化电极来监测特定疾病，"周涛说，"未来，我们非常希望与患者合作，看看这种方法如何能在临床环境中支持大脑监测和疾病治疗。"
出版详情
Marzia Momin等人，《用于患者特异性神经接口的可3D打印、蜂窝启发的组织样生物电极》，《先进材料》(2026)。DOI: 10.1002/adma.202516291
期刊信息：《先进材料》(Advanced Materials)
关键医学概念
水凝胶，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯
有限元分析
临床类别
神经病学
由宾夕法尼亚州立大学提供
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