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Advanced Functional Materials?|?MXene液晶微絲電極的分子有序組裝與雙向神經(jīng)接口性能突破
MXenes是一類層狀二維（2D）過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物，在溶液加工型二維材料中展現(xiàn)出最高導(dǎo)電性。經(jīng)優(yōu)化的Ti?C?MXene電導(dǎo)率可達(dá)還原氧化石墨烯（rGO）的5-10倍，已成功應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。自2018年Ti?C?MXene首次用于修飾電極陣列并展現(xiàn)優(yōu)異電性能與生物相容性以來，基于MXene網(wǎng)絡(luò)直接構(gòu)建的高性能神經(jīng)電極已展現(xiàn)出超越多數(shù)材料的電學(xué)特性和卓越的MRI兼容性。然而，相較于現(xiàn)有電極材料，既往MXene基電極僅實(shí)現(xiàn)神經(jīng)接口性能的邊際改善，未能充分釋放MXene納米片固有的電學(xué)潛能。針對這一局限，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院都展宏團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)變控制的兩步凝固紡絲體系，首次制備出適用于神經(jīng)記錄與刺激的液晶MXene纖維電極（MX）及其強(qiáng)化型MXene/PEDOT-PSS復(fù)合電極（MPP）。
該紡絲體系通過耦合緩慢凝固與應(yīng)變誘導(dǎo)排列機(jī)制，在避免引入生物危害物質(zhì)的同時(shí)，賦予電極纖維致密的微納結(jié)構(gòu)。其中，MXene層間精準(zhǔn)組裝的PEDOT-PSS分子形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使復(fù)合電極電荷存儲(chǔ)能力達(dá)到989.77 mC/cm2，較傳統(tǒng)金屬電極提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種兼具高導(dǎo)電性與離子滲透性的界面創(chuàng)新，為神經(jīng)環(huán)路動(dòng)態(tài)解析提供了突破性工具。研究證實(shí)，MPP的綜合電學(xué)性能較現(xiàn)有神經(jīng)電極材料提升10-100倍，在神經(jīng)記錄與刺激實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)卓越，且完全兼容磁共振成像（MRI）。這種可低成本批量制備的微米級(jí)纖維電極已展現(xiàn)出臨床轉(zhuǎn)化潛力。相關(guān)成果以"High-Performance MXene/PEDOT-PSS Microscale Fiber Electrodes for Neural Recording and Stimulation"為題，于2025年2月發(fā)表于Advanced Functional Materials。
兩步凝固紡制MXene基液晶纖維
這項(xiàng)研究工作中MXene基電極電學(xué)性能的大幅度的提高主要依賴于液晶相納米片的微納結(jié)構(gòu)。在剪切力作用下，注射器中的各向同性納米片在進(jìn)入殼聚糖-低濃度醋酸凝固液時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄袘B(tài)，誘導(dǎo)有序液晶MXene結(jié)構(gòu)域的排列。低濃度的PEDOT-PSS無法形成長程有序結(jié)構(gòu)，通過靜電吸附均勻分布在MXene片層間。殼聚糖聚合物鏈會(huì)導(dǎo)致水逐漸從紡絲溶液中排出，有助于MXene納米片初始組裝成均勻堆疊結(jié)構(gòu)的過程，形成具有高殘余含水量的粗糙凝膠狀長絲。在應(yīng)變控制凝固過程中，凝膠長絲中的水分由于蒸汽壓而蒸發(fā)，使得MXene納米片之間的范德華力和靜電相互作用表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸引效應(yīng)。由于應(yīng)變控制，納米片的旋轉(zhuǎn)熵顯著降低，迫使它們在纖維內(nèi)進(jìn)一步軸向排列。測試結(jié)果表明，PEDOT-PSS分子鏈的加入并未顯著干擾納米片結(jié)構(gòu)的排列，并且能保持溶液中的線型醌類結(jié)構(gòu)，在不增加電極體積的情況下沿軸向和徑向提供額外的電子離域路徑。
電極綜合電學(xué)性能分析
在電學(xué)性能測試中，MXene基液晶電極表現(xiàn)出了絕對領(lǐng)先的性能優(yōu)勢。MPP電極在1 kHz下的阻抗僅43.16 Ω/mm2，且陰極電荷存儲(chǔ)能力（CSCc）高達(dá)989.77 mC/cm2，電荷注入能力（CIC）高達(dá)11.81 mC/cm2，與尺寸相近的鉑銥合金電極相比高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這是評價(jià)神經(jīng)電極記錄能力、刺激能力的重要指標(biāo)。此外，得益于截面處的良好結(jié)構(gòu)，MPP截面的電學(xué)性能相比于整體而言會(huì)進(jìn)一步提升約一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，電極在施加10萬次常見的腦深部刺激方波后性能未見明顯變化，并在施加1000次極限電壓循環(huán)后，電荷存儲(chǔ)能力仍保留93%，表現(xiàn)出了良好的電學(xué)穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的先進(jìn)神經(jīng)電極材料，如碳納米管（CNT）,碳纖維，氧化石墨烯（GO）相比，表現(xiàn)出了明顯的性能優(yōu)勢。
體表電生理記錄應(yīng)用
在非侵入式應(yīng)用中，MPP電極微型記錄位點(diǎn)（僅為商用Ag/AgCl電極的1/700）實(shí)現(xiàn)了25.78 dB的高信噪比（圖3e），其MXene/PEDOT-PSS復(fù)合結(jié)構(gòu)支持肌電、腦電與心電信號(hào)多種信號(hào)采集。尤為突出的是0.0047 cm2接觸面積可動(dòng)態(tài)解析肌肉收縮時(shí)序（圖3f），這一亞毫秒級(jí)分辨能力可能為帕金森病等運(yùn)動(dòng)障礙疾病的早期診斷提供了新型動(dòng)態(tài)監(jiān)測工具，突破了傳統(tǒng)體表電極因尺寸限制（通常>3 cm2）導(dǎo)致信號(hào)空間模糊的技術(shù)瓶頸。
大腦皮層記錄及腦深部刺激應(yīng)用
在侵入式神經(jīng)接口領(lǐng)域，MPP電極通過材料創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了跨尺度調(diào)控。植入小鼠視覺皮層后，其微型界面成功捕獲棋盤格刺激誘發(fā)的局部場電位與單神經(jīng)元放電，分辨率與鉑銥電極相當(dāng)；而對大鼠丘腦底核進(jìn)行130 Hz高頻刺激時(shí)，11.81 mC/cm2的電荷注入能力（較傳統(tǒng)電極提升200倍）可穩(wěn)定誘發(fā)運(yùn)動(dòng)皮層響應(yīng)電位，這一性能使深部腦核團(tuán)的長時(shí)程精準(zhǔn)調(diào)控成為可能。MXene電極也可解決臨床長期痛點(diǎn)——在11.3T強(qiáng)磁場下無偽影干擾，可實(shí)現(xiàn)植入電極與術(shù)中MRI導(dǎo)航的實(shí)時(shí)協(xié)同，可為神經(jīng)外科精準(zhǔn)定位導(dǎo)航提供新的解決方案。
該技術(shù)的核心優(yōu)勢源于材料性能的生物學(xué)適配：43.16 Ω/mm2的低阻抗特性（較鉑銥合金降低3.7倍），989.77 mC/cm2的電荷存儲(chǔ)能力（提升108倍），11.81 mC/cm2的電荷注入能力，優(yōu)良生物相容性與核磁成像兼容性。這些特性共同解決了傳統(tǒng)電極在記錄和刺激中的界面性能受限和成像偽影等難題。
依托低成本濕法紡絲工藝（圖1b-d），MPP纖維已實(shí)現(xiàn)30 μm直徑的亞米級(jí)連續(xù)生產(chǎn)，有望進(jìn)一步集成至深部腦刺激器和閉環(huán)癲癇調(diào)控系統(tǒng)等。該技術(shù)可將雙向神經(jīng)接口的刺激精度推動(dòng)至單神經(jīng)元級(jí)別，同時(shí)將體表監(jiān)測的空間分辨率推進(jìn)至亞毫米尺度，可能為抑郁癥深部刺激、癲癇閉環(huán)調(diào)控等功能性神經(jīng)疾病的精準(zhǔn)診療建立新一代技術(shù)平臺(tái)。
項(xiàng)目研究助理茍書淳為本文第一作者，深圳先進(jìn)院腦所腦信息中心副研究員都展宏為本文通訊作者。本文合作者包括中科大和先進(jìn)院腦所畢國強(qiáng)教授，為本文提供了重要指導(dǎo)和大力支持；共同作者還包括項(xiàng)目研究助理李沛軒和國科大碩士生楊澍。團(tuán)隊(duì)感謝課題組研究助理程宇航、楊智豪，碩士生楊斯軼等對項(xiàng)目的支持和幫助。本研究主要受到科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目和平臺(tái)的支持。
都展宏課題組（生物電子界面工程實(shí)驗(yàn)室，BEIE Lab）正在積極尋求科研合作，課題組長期招聘神經(jīng)生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、電化學(xué)材料等交叉學(xué)科背景方向的博士后，如有合作或加入意向，歡迎聯(lián)系
圖1.?兩步凝固法制備纖維電極及材料基礎(chǔ)表征
圖2.?神經(jīng)電極綜合電學(xué)性能分析
圖3. MPP用于肌肉電信號(hào)記錄及手勢識(shí)別
圖4. MPP用于體表EEG、ECG記錄
圖5.?大腦皮層記錄及腦深部刺激中MPP的應(yīng)用效果
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