對大腦中的神經元進行雙向調控，增強和抑制神經活動，是治療運動神經紊亂、情感障礙和認知缺陷的重要方法，其作用機制源于通過雙向調節神經元興奮性與抑制性活動的動態平衡，進而實現神經環路功能重塑。

目前基于電刺激或電化學刺激原理的神經調控技術，主要采用植入式金屬電極的單向直流電刺激模式。然而，該傳統范式存在以下技術局限性：首先，剛性金屬電極作為長期植入裝置易引發宿主免疫排斥反應及機械失配性組織損傷；其次，持續性直流電刺激導致的電荷累積效應及焦耳熱現象可造成神經組織不可逆損傷；最后，單向刺激模式難以實現神經環路的動態雙向調控。基于上述技術瓶頸，開發具有生物相容性優異、動態調節特性顯著且組織損傷風險低的新型神經調控技術已成為迫切需求。

近期，北京理工大學柔性電子集成與智造所沈國震教授、李臘副教授聯合湖南工業大學生物與醫學工程學院許建雄教授提出了一種可植入式無線水凝膠一體化超級電容器神經調控系統。相關工作以“ An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation ”為題發表在《Advanced Materials》。論文共同作者為湖南工業大學生物與醫學工程學院碩士研究生盛翔宇與北京理工大學集成電子與電路學院博士研究生杜直建。

文章要點

該集成系統通過超級電容器陣列的能量存儲模塊、諧振耦合無線供能模塊、二極管橋式整流電路與水凝膠電解質基質的系統整合，創新性地建立了基于離子擴散動力學的雙向神經調控機制。區別于傳統的Faradic電流作用模式，該系統通過調控電場方向策略可實現特定腦區神經活動的動態切換和精準調控，其間歇性振蕩電流模式有效規避了直流刺激的電荷沉積問題，并在消除熱力學損傷風險的同時維持穩定的電化學界面環境。該技術為帕金森病（基底神經節環路調控）、抑郁癥（前額葉皮層-邊緣系統神經調制）及阿爾茨海默病（海馬區突觸可塑性調控）等嚴重神經性疾病提供了創新平臺，在神經工程領域注入了可植入器件生物界面優化與閉環調控系統集成的豐富潛力。

圖1 無線超級電容激活神經調制系統（W-SCAN）的系統結構

W-SCAN由超級電容器（儲能核心）、銅箔線圈（無線傳輸）、二極管橋電路（整流）和透明水凝膠（柔性基底）構成，體積小巧（厚度 183 μm），可植入皮下，通過無線能量傳輸精準刺激目標神經，減少對患者生活的影響。基于人體皮膚不同層楊氏模量的特性，設備具備良好柔韌性，彎曲形變小于10%，可適應生物組織曲面。器件具備供電模塊，可支持植入式生理監測系統的供電；用于神經運動損傷治療：通過電刺激激活神經肌肉收縮反應，改善功能；針對情緒障礙（如抑郁）：通過電刺激干預來調節腦細胞神經遞質水平和皮層功能。

圖2W-SCAN中超級電容模塊的工藝開發

圖2系統地展示了通過激光直寫技術與直接油墨打印技術制備微超級電容器陣列的工藝差異及其性能表現。在激光直寫工藝中，首先通過旋涂在PET基底表面形成均勻石墨烯前驅體薄膜，經激光刻蝕構建預定圖案，最終通過水凝膠封裝形成復合電極。實驗測得該電極導電率高達575.6 S/cm，展現出優異的電荷傳輸能力。DIW技術則采用高精度微噴打印系統，將經粘度優化的功能墨水直接沉積于PET基底，隨后通過水凝膠前驅體溶液浸漬及梯度熱固化工藝完成器件成型。基于石墨烯材料在808 nm近紅外波段的高吸收特性，創新性地引入近紅外光控自蒸發技術，通過光熱效應快速調節墨水粘度，保證了微米級圖案的成型精度。力學性能測試表明，在10%拉伸/壓縮應變條件下，復合電極電阻變化率僅為3%，這得益于PVDF-TrFE的強韌化作用。這種兼具高導電性、機械順應性和環境穩定性的柔性電子器件，為可穿戴健康監測系統提供了理想的表皮接口解決方案。

圖 3 探索基于水凝膠聚合工藝的功能化電極的卓越電化學特性

圖3揭示了石墨烯基復合電極的優化機制：水凝膠封裝通過自由基接枝反應增強電極表面極性，提升電荷存儲能力。SEM、XRD與拉曼光譜證實材料結構穩定性，XPS顯示PVDF-TrFE與自由基形成C-O鍵，強化表面氧化活性。該電極經多孔優化后展現1.9 mF·cm?2面電容，5000次循環后容量保持率80.88%。水凝膠電解質因親水基團實現98.6%吸水率與長效保水，柔性器件在500次彎曲和95%壓縮回彈下仍保持電化學穩定。該研究為生物相容性電極-電解質界面設計提供了重要參考。

圖4 W-SCAN的無線功率傳輸行為

圖4展示了一種可植入式無線供能系統：發射線圈通過高頻電流產生磁場，優化設計的矩形接收線圈經整流電路輸出1.48V直流電壓和24.2 μA電流，傳輸效率達63.7±2.1%。兔體實驗顯示，植入7天后電壓保持率96.7%，經彎曲和扭轉后效率仍超88%，且無組織炎癥，得益于水凝膠封裝的高透氧性和透濕性。系統在皮下及腦部持續運行30天后保持0.38mW?cm-3功率密度，適用于神經刺激器等植入設備，具備臨床轉化潛力。

圖5 W-SCAN作為顱內靶向離子電刺激介質的應用

基于對稱結構超級電容器設計了一種無線神經調控系統，通過電場誘導離子擴散效應實現低頻（50 Hz）、低功耗（30 nA）雙向神經調節：植入水凝膠電極后，體液中陽離子在電場下定向遷移，通過改變靜息膜電位激活或抑制神經元興奮性，且振蕩電流避免直流刺激的熱損傷。活體實驗表明，刺激丘腦可增強δ波（抑制癲癇）或減弱δ波（改善抑郁），雙向調節腦電活動；杏仁核及前額葉刺激亦呈現類似雙向EEG信號變化，且連續刺激下信號穩定，無組織損傷，驗證了其神經疾病治療的臨床應用潛力。

結論與展望

本文成功開發了一種基于水凝膠封裝的植入式無線超級電容器激活神經元系統（W-SCAN）。該系統以對稱電極的超級電容器為核心，結合線圈、二極管橋電路和刺激電極，實現了對腦神經活動的安全、無線、雙向調制（興奮與抑制）。通過原位自由基加成策略，超級電容器的電容提升了約90倍，無線傳輸效率（WTE）達75%，植入皮下后仍能保持約50%的WTE，且體內7天后電壓保留率達96.7%。水凝膠的生物相容性驗證表明，細胞存活率高達304.9%，組織病理學分析顯示無炎癥或損傷。在活體兔腦實驗中，該系統通過離子擴散電流成功調節丘腦、杏仁核及前額葉的腦電信號，證實其對帕金森病、重度抑郁和阿爾茨海默病的潛在治療價值。該研究為基于內源電場的神經調控提供了新范式，未來有望成為治療運動障礙與情感認知缺陷的革新性技術。

課題組鏈接：

https://www.x-mol.com/groups/iFlex

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202504558

來源：高分子科學前沿

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