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脑机接口长期植入难题,被中国科学家破解了?

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脑机接口,这个听起来像科幻电影里的玩意儿,正在一步步走进现实。瘫痪病人靠它重新站起来,渐冻症患者用它打字交流——但你可能不知道,这项炫酷的技术有一个特别的烦恼:电极放进大脑后,用不了多久就“不好使”了。

有多不好使?临床试验里就出现过这样的情况:有受试者植入才三个月,电极的有效信号通道就大幅衰减,采集质量断崖式下滑。好好的设备,怎么就突然“聋”了?答案说出来有点好笑——大脑把电极当成了“坏人”。

为了解决这个临床难题,来自中国科学院理化技术研究所等单位的科学家们,研发出了一种不会被当成“坏人”的多功能电极界面涂层。使用该涂层的柔性神经电极可在脑内稳定工作 300 天以上,且能安全无损取出。论文发表在 2026 年 8 月的《先进材料》杂志。

为什么有了这个涂层,大脑就不再排斥电极了呢?这得从大脑防御说起。

大脑的“防御战”

电极植入大脑的那一刻,一场“敌我战争”就打响了。

首先是“城门失火”:植入过程会刺破微血管,损伤神经元,引发急性炎症。大脑一看,好家伙,有外敌入侵!立刻拉响警报。紧接着,大脑的两支“保安队”——小胶质细胞和星形胶质细胞——被全面激活。它们的目标很明确:把这个来路不明的东西包裹起来,隔离掉,别让它捣乱。

于是,胶质细胞在电极表面一层一层往上堆,形成了一层致密的“胶质瘢痕”。你可以把它想象成给电极裹了一层绝缘胶带——电极和神经元被彻底隔开,信号自然越来越弱,最后干脆收不到了。


大脑里的星形胶质细胞,会包围伤口形成疤痕。

这还没完。大脑不是静止不动的,它随着呼吸、心跳、头部运动在持续微微晃动。传统刚性电极(硅基、金属材质)硬邦邦的,跟柔软的脑组织弹性模量差了好几个数量级——这是什么概念?相当于把一块铁片塞进豆腐里,每动一下就是一次摩擦损伤。慢性机械损伤又会进一步加剧炎症,炎症又催生更多瘢痕,完美闭环,恶性循环。

更让人头疼的是“生物粘连”。时间一长,电极和脑组织干脆“长在一起”了,像两棵树的根缠在了一块儿。一旦设备老化故障需要取出来,二次手术极易撕裂脑组织,造成出血和神经功能损伤——说白了,就是装进去容易,拿出来难。

一边要信号稳定,一边要安全植入、安全取出——这几乎就是个“既要又要还要”的超级难题。

理想电极的五重考验

怎么破局?科学家想到了给电极“穿件衣服”——在表面涂一层特殊材料,让大脑认不出它是异物。

但这件“衣服”可不好做。理想情况下,它得同时满足五项要求,少一项都不行:

第一,长效抑菌。植入最怕感染,涂层得能抑制细菌附着,相当于自带“消毒 buff”。

第二,抗生物污损。蛋白质、细胞碎片不能随便黏在上面,否则电极很快就“脏”了、绝缘了——就像水壶里的水垢,糊住了就不好使了。

第三,削弱免疫排斥。不能刺激胶质细胞过度激活,要让大脑“以礼相待”,真心实意把它当成自己人。

第四,稳定电学性能。涂层本身不能是绝缘体,不能增加阻抗、影响信号采集和电刺激效率——不能为了穿件衣服,把天线给裹没了。

第五,可无损回收。不能跟组织长死,设备老化后要能安全取出来更换——总不能用坏了就不管了,在脑子里留个“文物”吧。


理想的电极涂层,它得是个“五边形战士”。丨豆包

过去的技术路线——柔性基底、导电高分子、单一功能修饰涂层——通常只能解决其中一两项。比如亲水抗污涂层生物相容性好,但导电性差;导电高分子能降低阻抗,却难以兼顾抑菌和抗免疫反应。更麻烦的是,这些要求之间常常互相矛盾:你加了抗菌组分,可能生物相容性就变差了;你涂厚了功能强,但电极的柔性和尺寸就变了。

这就像要求一个人同时是短跑冠军、马拉松健将、举重选手和体操运动员——几乎不可能。

给电极穿上“分子外衣”

那么,我国的科学家们是如何从“不可能”中找到希望的呢?答案就是:给它套上一层阳离子交替肽多功能电极涂层。

听名字有点拗口,你可以把它理解成一种用氨基酸“编织”出来的超薄分子外衣。它通过表面化学接枝的方式,在电极表面形成一层极薄的修饰层——薄到什么程度?完全不改变电极本身的柔性和导电性能,就像给电极贴了层隐形面膜。

这层面膜可不简单,它同时具备四种关键能力:优异的生物相容性、广谱抗菌、抗蛋白与离子黏附、强效抑制异物反应。大脑一看,哦,兄弟看着像自己人啊,算了,不管了。

具体效果怎么样?大鼠实验给出了一组相当震撼的数字:

信号记录方面:裸电极植入 90 天后,有效记录通道就大幅衰减;到 300 天时,基本捕捉不到神经元放电了——相当于聋了。而涂了新涂层的电极呢?300 天里通道没有衰减,记录到的神经信号幅值始终稳定在 155 微伏以上,跟刚植入的时候几乎没差。

神经调控方面:植入 300 天后,普通电极需要 100 微安的电流才能诱发微弱的肢体反应——就像扯着嗓子喊对方才能勉强听见。涂层电极呢?只需要 2 微安就够了,调控效率提升了整整 50 倍。相当于以前得用喇叭喊,现在凑到耳边轻声说一句就行。

取出实验更惊艳:涂层电极不再跟脑组织“长死”在一起,能被完整取出来,周围的脑组织也几乎没受伤。这意味着什么?意味着未来设备老化后可以安全更换,植入式脑机接口不再是“一次性”的、“损伤性”的——装得进去,也拿得出来。


图中绿色为神经元,红色为巨噬细胞,蓝色为星形胶质细胞。

多组学分析也从分子层面验证了原因:涂层周围的脑组织,从“促炎性损伤状态”转变成了“炎症减弱、组织稳态改善”的状态——大脑真的被“骗过了”。

脑机接口的“最后一公里”

看到这里你可能会问:这么厉害,什么时候能用到人身上?

客观地说,还有一段路。目前这项研究还处在啮齿类动物实验阶段,距离人体临床应用,至少还要跨过几道关:

首先是物种差距。大鼠的脑容量、结构、免疫反应和人脑差异很大。通常还需要在非人灵长类动物(如猕猴)身上验证安全性和有效性,才能推进到人体试验——毕竟,大鼠脑袋和人脑,差的可不是一星半点。

其次是长期安全性。300 天在大鼠生命周期里占比很高,但对人类临床应用来说,理想的植入周期是数年甚至数十年。涂层在人体内的长期稳定性、降解产物的代谢途径、系统毒性、免疫原性等,都需要更充分的验证。简单说就是:现在 300 天没问题,那 3 年呢?30 年呢?

第三是监管审批。侵入式脑机接口属于最高风险等级的三类医疗器械,需要经过严格的注册临床试验。国内目前推进较快的“北脑一号”还是硬膜外(非脑实质内植入)产品,脑内植入的审批会更加谨慎。

不过,好消息也不少。国内脑机接口的临床转化正在加速,天坛医院已经开设了脑机接口咨询评估门诊和临床转化病房,多款产品在推进临床试验。这款涂层作为一种通用平台技术,可以应用于各类植入式神经电极和医疗设备,转化路径相对清晰。

脑机接口的“最后一公里”,正在被一米一米地打通。也许再过十年回头看,今天这层薄薄的分子外衣,会被证明是这段旅程中相当关键的一步。

毕竟,对于电极技术来说,真正成熟的标志,从来不是它能做多少酷炫的事,而是它能安安静静地待在那里——不捣乱、不衰减、随时能换。到那个时候,脑机接口才真正从实验室的“展品”,变成患者能用、敢用的医疗工具。

策划制作

作者丨许先慧 中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究(上海)设施副主任

审核丨陶宁 生物医学领域 副研究员

策划丨高佩雯 江帆

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