深圳先進院?|?發明動態“神經蠕蟲”功能纖維電極（Nature）

發布時間：2025-09-18 來源:深圳先進技術研究院

在腦機接口等神經接口系統中，電極是連接電子設備和生物神經系統的核心界面傳感器，是腦機接口中“接口”的核心所在。然而，當前植入式電極均是“靜態”的，植入后只能“固定位置、局限采集”，還在免疫反應中“被動挨打”乃至傳導失效，嚴重制約了腦機接口的應用和未來發展。

9月17日，由中國科學院深圳先進技術研究院劉志遠、韓飛團隊聯合徐天添團隊，以及東華大學嚴威團隊，歷經5年多協同攻關的研究成果在《自然》發表。研究團隊成功研發出了如頭發絲般纖細、柔軟可拉伸、可自由驅動的神經纖維電極——NeuroWorm（神經蠕蟲）。該研究首次提出了腦機接口“動態電極”的新范式，打破了植入式電極的“靜態”傳統，為腦機接口電極的研究與應用開辟了新方向。

該研究中，深圳先進院劉志遠研究員、徐天添研究員、韓飛副研究員，東華大學教授嚴威是論文共同通訊作者。廈門大學助理教授謝瑞杰（原劉志遠團隊博士后），深圳先進院副研究員韓飛、研究助理余潛衡遠、李冬（徐天添團隊在讀博士生）為該論文共同第一作者。深圳先進院為該研究第一單位，研究工作得到鄭海榮院士、朱美芳院士、李光林研究員的幫助與支持。

打破傳統框架，植入式腦機接口電極開啟“游走”模式

腦機接口分為非植入式、半植入式與全植入式，全植入式腦機接口技術因電極直接與神經元“對話”，可實現其他方式無法企及的監測精度與更豐富的功能。然而，傳統植入式電極植入后不僅無法動態調整植入位置，也無法對周邊環境做出響應性調整。

在2020年11月一次例會上，劉志遠和課題組成員討論道：“從臨床需求來看，如果我們能開發出一種非常細、非常軟、又能運動的多通道纖維電極，或許能解決當前電極領域的不足。”

但想要得到這種電極并非易事，不僅要克服多個技術難點，還需要不同領域的工程技術人才。那時，徐天添團隊長期專注于磁驅動微型機器人研究，在磁性材料制備及微納機器人精確操控方面積累了豐富經驗。對于傳統柔性電極的“靜態”特性以及其所導致的問題，劉志遠在和徐天添探討之后，兩個課題組一拍即合，決定共同探索如何在柔性電極中引入微小磁性組件，并利用外部磁場實現電極植入后仍具備可調節、可運動的“動態”特性。

在該研究中，研究團隊首先要解決的難題，便是如何在一根直徑約為200微米的纖維上，布局數十個獨立的電極通道，這相當于在一根頭發絲上拆分雕刻出數十根長度一致、彼此不能交叉的細線，還要保證這根纖維足夠柔軟且可拉伸。

團隊成員謝瑞杰此前制備出了厚度僅為數百納米厚的超薄薄膜電極，在此基礎上，他想到如果將薄膜“卷起來”，就能變成微米尺度的纖維。通過超薄柔性薄膜的制備、導電圖案設計、軟硬接口設計和制造等多個精細步驟，經過五年攻關，研究團隊在鄭海榮院士、李光林研究員的幫助下，終于制備出擁有沿著纖維長度方向獨立分布的多達60個通道的、直徑僅有196微米的柔軟可拉伸纖維電極。

為了讓制備的電極“動起來”，團隊在電極的一端增加了微小的磁頭，通過結合高精度磁控系統和即時影像追蹤技術，使電極能夠在體內自主調控前進方向，并能穩定記錄高質量的生物電信號。這樣的“動態電極”可以在兔子顱內“游走”，根據需要主動更換監測目標，研究團隊給它命名為NeuroWorm——神經蠕蟲。

不僅在大腦里“游走”，也在外周肌肉上“動起來”

NeuroWorm的誕生不僅為腦機接口開辟了新路徑，它的應用還遠不止于大腦。研究團隊還首次實現了電極在肌肉內的長期植入與穩定工作。

與大腦相比，外周肌肉在運動過程中會產生更大幅度的形變和拉伸，對電極的柔軟性、耐久性和信號穩定性提出了更高要求。NeuroWorm憑借其微型化、可拉伸的結構優勢，在肌肉內依然能緊密貼合組織，并保持高質量信號采集，為外骨骼控制、康復輔助以及日常環境中的人機協同提供了新可能。

團隊利用微創植入技術，成功實現了NeuroWorm電極在大鼠腿部肌肉內穩定工作超過43周。值得關注的是，電極植入13個月后，其周圍形成的纖維包裹層厚度平均不足23微米，周圍組織的細胞凋亡率與正常組織相當，展現了優異的長期生物相容性。相比之下，傳統不銹鋼絲電極在相同條件下包裹層厚度超過451微米，伴隨顯著的細胞凋亡反應。

與此同時，在外部磁場的操控下，NeuroWorm可在肌肉上表面實現游走，可在植入后的一周內每天變換位置進行監測。

“研究過程中，我們不僅要確保電極信號傳輸的穩定性、防水性，還要確保精準控制電極在實驗動物體內運動。在很長的一段時間里，我們的大部分工作是不斷地改進、調整、動物實驗測試，最終得到符合要求的電極。”韓飛回憶。

“這一成果標志著生物電子學領域的重要突破，使傳統的被動固定式植入電極首次邁向可主動控制、智能響應、與生物組織協同運動的全新階段，為神經系統功能的長期動態監測提供了全新的技術路徑。”徐天添表示。

多學科協同助推腦機接口發展

近年來，隨著人工智能、神經生物學、生物傳感器與柔性電子等技術不斷突破，腦機接口技術已不再依賴單一學科的驅動，更需要AI、材料科學、電子工程、神經科學等多學科的深度融合與協同合作。

正是在這一背景下，深圳先進院通過整合院內多科學的力量，實現了“動態電極”的新范式突破，同時布局推進柔性生物界面電極的產業化發展。

此前，劉志遠團隊基于柔軟可拉伸導電材料的技術積累，率先實現了柔軟可拉伸電極陣列的工程化量產，并通過了相關的二類醫療器械注檢，應用在體表高密度肌電監測與刺激等場景中，嘗試取代傳統的硬質不可拉伸電極陣列，并已實現對包括歐洲客戶在內的電生理公司供貨。

“盡管我們取得了一些應用突破，又新提出了‘神經蠕蟲’的理念，但電極植入后仍面臨免疫排異和長期穩定工作等挑戰。如何實現電極與人體組織的更好融合，提高信號讀取的精準度和穩定性，是未來的重要研究方向。”劉志遠表示，未來植入式電極還需在驅動方式、速度控制、材料優化、功能集成、長期相容性等方面開展研究，需要全球科學家的共同努力。

徐天添介紹，研究團隊首次將磁控驅動技術運用在植入式電極中，也為磁控微納機器人領域帶來寶貴的經驗和數據，有望應用于早期的植入式醫療設備中，為動態監測生理信號提供新的解決方案。

據了解，該研究有望為纖維器件的制備提供新思路，也為腦科學研究、神經調控、腦機接口、人機協同等領域提供新的工具。未來，研究團隊還將繼續在動態柔性電極和“活性”主動響應型柔性電極領域進行深入研究，推動腦機接口技術的發展進程。