神經(jīng)雙向調(diào)制技術(shù)通過興奮或抑制神經(jīng)元活動(dòng)，在治療運(yùn)動(dòng)神經(jīng)障礙、情緒失調(diào)及認(rèn)知缺陷等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。當(dāng)前主流技術(shù)如經(jīng)顱直流電刺激（t-DCS）和深部腦電脈沖刺激（DBS）依賴金屬探針植入，存在安全性低、單向調(diào)節(jié)、空間分辨率不足及長期植入并發(fā)癥等問題。

近年來，基于內(nèi)源電場（EEF）的離子擴(kuò)散效應(yīng)因其低頻、弱刺激和生物相容性優(yōu)勢成為新型神經(jīng)調(diào)控策略，但其能量供給模塊仍面臨儲(chǔ)能效率低和雙向調(diào)制機(jī)制匱乏的挑戰(zhàn)。超級(jí)電容器憑借對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)和高安全性電荷存儲(chǔ)特性，為雙向神經(jīng)調(diào)控提供了潛在解決方案，然而傳統(tǒng)器件在體內(nèi)應(yīng)用中存在界面阻抗高、無線傳輸效率不足以及生物適應(yīng)性差等瓶頸。

針對(duì)上述問題，本研究提出了一種水凝膠一體化的植入式無線超級(jí)電容器激活神經(jīng)元系統(tǒng)（W-SCAN），旨在通過材料創(chuàng)新與集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全、高效的雙向神經(jīng)電干預(yù)。

4月21日，北京理工大學(xué)柔性電子集成與智造研究所沈國震教授和李臘副教授聯(lián)合湖南工業(yè)大學(xué)許建雄教授，在《Advanced Materials》上發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，推出了一種水凝膠一體化的植入式無線超級(jí)電容器激活神經(jīng)元系統(tǒng)（W-SCAN），該系統(tǒng)基于超級(jí)電容器對(duì)稱電極特性，通過外部交變電場切換實(shí)現(xiàn)離子擴(kuò)散方向調(diào)控，避免了傳統(tǒng)直流電刺激的熱損傷風(fēng)險(xiǎn)。電生理實(shí)驗(yàn)表明，低頻率振蕩電流可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)神經(jīng)元膜電位，為開發(fā)非侵入式、自適應(yīng)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)提供了新范式。

1 腦神經(jīng)元雙向調(diào)制的意義

腦神經(jīng)元雙向調(diào)制在運(yùn)動(dòng)障礙和情緒疾病治療中具有關(guān)鍵作用，但現(xiàn)有電刺激技術(shù)存在金屬探針植入風(fēng)險(xiǎn)、單向調(diào)節(jié)局限性和組織損傷等問題。傳統(tǒng)深部腦刺激（DBS）需定期更換脈沖發(fā)生器，且易引發(fā)肌肉震顫等副作用，制約了臨床應(yīng)用效果。

 圖1 無線超級(jí)電容激活神經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)（W-SCAN）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

2 W-SCAN系統(tǒng)的創(chuàng)新

W-SCAN，一種可植入式無線水凝膠一體化超級(jí)電容器神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)通過超級(jí)電容器陣列的能量存儲(chǔ)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(zhì)基質(zhì)的系統(tǒng)整合，創(chuàng)新性地建立了基于振蕩離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的雙向神經(jīng)調(diào)控機(jī)制。區(qū)別于傳統(tǒng)的Faradic電流作用模式，該系統(tǒng)通過調(diào)控電荷存儲(chǔ)/釋放的動(dòng)力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)興奮性與抑制性刺激模式的動(dòng)態(tài)切換，在消除熱力學(xué)損傷風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)維持穩(wěn)定的電化學(xué)界面環(huán)境。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)采用頻率編碼策略（高頻興奮/低頻抑制）能精準(zhǔn)調(diào)控特定腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)，其間歇式振蕩電流模式有效解決了直流刺激的電荷沉積問題。

圖2W-SCAN中超級(jí)電容模塊的工藝開發(fā)

 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(xué)特性

 圖4 W-SCAN的無線功率傳輸行為 

3 從長期植入到雙向刺激：功能驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)在活體模型中驗(yàn)證了W-SCAN系統(tǒng)的多腦區(qū)調(diào)控效能：

丘腦雙向調(diào)節(jié)：植入兔腦丘腦區(qū)域，通過±30nA雙向電流刺激，成功實(shí)現(xiàn)δ波同步增強(qiáng)（功率提升3.2倍）與異常放電抑制（抑制率67%），持續(xù)工作7天電壓保持率96.7%；

杏仁核情緒調(diào)控：在焦慮模型兔杏仁核植入系統(tǒng)，50Hz低頻刺激顯著降低應(yīng)激行為頻率（P0.05），反向電場誘發(fā)θ波節(jié)律重組，改善情緒相關(guān)腦電特征；

前額葉認(rèn)知干預(yù)：阿爾茨海默模型兔前額葉植入后，經(jīng)14天連續(xù)調(diào)控，空間記憶測試正確率提升42%，HE染色顯示神經(jīng)元密度增加19%且無膠質(zhì)增生。

 圖5 W-SCAN作為顱內(nèi)靶向離子電刺激介質(zhì)的應(yīng)用 

4 臨床轉(zhuǎn)化與未來展望

該研究雖仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，但其設(shè)計(jì)理念和性能表現(xiàn)，為多個(gè)關(guān)鍵臨床場景帶來了可期的應(yīng)用前景。

該技術(shù)突破傳統(tǒng)神經(jīng)調(diào)控設(shè)備的三大瓶頸：

取代剛性金屬電極，實(shí)現(xiàn)柔性界面的長期生物整合；

通過離子電流替代電子傳導(dǎo)，消除組織電解損傷風(fēng)險(xiǎn)；

整合多腦區(qū)同步調(diào)控能力，支持個(gè)性化神經(jīng)環(huán)路重建。

研究團(tuán)隊(duì)正推進(jìn)臨床試驗(yàn)，開發(fā)適用于帕金森病震顫控制、抑郁癥前額葉調(diào)控和阿爾茨海默病記憶環(huán)路修復(fù)的專用模塊。未來結(jié)合AI閉環(huán)控制算法，有望實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)神經(jīng)調(diào)節(jié)，推動(dòng)神經(jīng)調(diào)控進(jìn)入"精準(zhǔn)個(gè)體化"時(shí)代。這項(xiàng)研究開創(chuàng)了水凝膠電子學(xué)與神經(jīng)界面交叉的新領(lǐng)域，其無線供能、雙向調(diào)節(jié)和生物整合特性，為開發(fā)下一代腦機(jī)接口和神經(jīng)修復(fù)裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，標(biāo)志著神經(jīng)調(diào)控技術(shù)從"電子干預(yù)"向"離子對(duì)話"的范式轉(zhuǎn)變。

X. Sheng, Z. Du, Z. Gao, J. Xu, L. Li, G. Shen, An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation. Adv. Mater. 2025, 2504558. https://doi.org/10.1002/adma.202504558

聲明:

本評(píng)論文章內(nèi)容由本研究作者，北京理工大學(xué)柔性電子集成與制造研究所研究者杜直建提供，歡迎各位讀者關(guān)注、轉(zhuǎn)發(fā)、聯(lián)系合作。

END

編輯 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)