軟性生物電極採用受蜂窩啟發的設計，使研究人員能夠將其拉伸至患者大腦特定幾何形狀上，同時不犧牲結構強度或對電信號和生理信號的敏感性。 圖片來源：周濤（Tao Zhou）
根據賓夕法尼亞州立大學研究人員領導的一項新研究，專為完美匹配人腦表面而設計的軟電極可能有助於推進神經退行性疾病的監測和治療用神經介面。 神經介面由能夠追蹤生物物理信號的微型感測器提供動力，這些感測器被稱為生物電極。 這些感測器通常由剛性材料製成，採用「一刀切」設計，難以匹配大腦複雜的結構。 研究人員開發出一種新型3D列印生物電極方法，可拉伸變形以適應使每個大腦獨特細微差異。
類比獨特腦部結構
研究團隊使用軟體基於21名人類患者的MRI
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掃描結果類比詳細大腦，塑造出針對大腦特定結構定製的電極組，然後3D列印電極和大腦模型。 在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上發表的一篇論文中，他們報告稱，與傳統設計相比，他們的電極能更好地貼合大腦結構，同時保持有效性並具有生物相容性，即使在大鼠模型測試中也是如此。
人腦中的褶皺是通過稱為"腦回形成"（gyrification）的過程產生的，大腦外壁的皮質層會聚集成稱為"腦回"（gyri）的脊和稱為"腦溝"（sulci）的溝。 這有助於大腦各處的細胞高速通信，並使相對較大的器官能緊湊地容納在顱骨內——展開的成人腦面積約為2000平方釐米，相當於兩個大號披薩的大小。
為何"一刀切"設計效果不佳
賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學助理教授、沃姆利家族早期職業教授、該論文通訊作者周濤（Tao Zhou）表示，儘管主要皮質褶皺在個體間保持一致，但大腦腦回和腦溝的精確佈局因人而異。 然而，傳統生物電極設計並未考慮這一點。
"每個人的大腦結構都不同，這取決於他們的身高、體重、年齡、性別等因素，"同時在賓夕法尼亞州立大學生物醫學工程和神經工程中心任職的周濤表示，"儘管如此，我們仍嘗試將神經介面像安裝在結構相同的大腦上一樣。 這促使我們基於患者大腦結構，為每個人創建定製電極。 "
水凝膠與蜂窩設計
據周濤介紹，這些電極主要由一種富含水的材料——水凝膠（hydrogel）製成，以更好地匹配大腦的軟組織和患者特定幾何形狀。 此外，團隊使用了一種新型蜂窩啟發結構，這種結構提供了靈活性和強度，同時保持成本效益並可快速列印。
蜂窩結構幫助我們顯著降低電極的剛度，而不犧牲其機械強度，"周濤說，"更重要的是，這種結構説明我們減少製造過程中使用的整體材料，降低了生產時間、成本和環境影響。 "
從MRI掃描到3D列印匹配
生產過程始於獲取患者大腦的MRI掃描，用於進行有限元分析（finite element analysis）——這一過程創建了人神經結構的詳細類比。 然後將此分析渲染為患者大腦的3D模型，團隊使用計算機軟體定製生物電極，使其專門變形以適應大腦皮層的脊和溝。
成形后，團隊使用直接墨水列印（direct ink printing）技術3D列印水凝膠電極，該技術可創建能夠在相對小表面上監測和傳輸腦信號的電極。 在這項研究中，團隊3D列印了21名不同參與者大腦的模型，應用他們的電極並物理測量電極貼合腦表面的精確度。 周濤解釋說，傳統製造方法需要無塵室等專業設施，使其定製成本極其高昂——3D列印使團隊能夠更快地個人化和製造電極，成本僅為傳統方法的一小部分。
更柔軟的接觸，更強的大腦信號
與傳統方法相比，基於水凝膠的電極更精確地跟隨大腦結構。 周濤表示，他們的方法產生的電極對大腦中存在的電信號表現出近乎完美的連接性。 此外，由於這種彈性凝膠非常可塑，可以將其應用於軟腦組織而不造成損傷，而其他設計中構成電極的剛性材料可能會損傷組織。
據周濤介紹，電極的柔軟性使它們能夠與大腦建立更緊密、更穩定的接觸，從而促進更高品質、更可靠的監測。 此外，採用這種方法製造的生物電極不會影響大腦周圍的液體運輸，這是大腦功能的一個關鍵方面，而許多傳統電極會破壞這一功能。
"將電極個人化以匹配大腦特定結構顯著提高了其可靠性，"周濤說，"因為它們更好地貼合大腦，信號品質本身得到了顯著改善。 "
在大鼠中的測試和未來應用
為了進一步研究他們的電極，團隊將它們放置在大鼠模型的大腦上，持續28天。 周濤表示，大鼠對列印的電極沒有表現出任何免疫反應，這是生物設備開發中的一個關鍵考慮因素。 此外，電極沒有表現出性能下降，同時對大腦中的電和生理信號提供敏感且準確的讀數。
周濤表示，他認為這種列印方法可以作為商業化規模列印針對特定患者定製生物電極的框架。 儘管這些系統傳統上用於監測神經活動，但團隊計劃探索個人化電極如何有助於神經治療。
"我們正致力於進一步改進這項技術，以優化電極來監測特定疾病，"周濤說，"未來，我們非常希望與患者合作，看看這種方法如何能在臨床環境中支援大腦監測和疾病治療。 "
出版詳情
Marzia Momin等人，《用於患者特異性神經介面的可3D列印、蜂窩啟發的組織樣生物電極》，《先進材料》（2026）。 DOI: 10.1002/adma.202516291
期刊資訊：《先進材料》（Advanced Mate
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關鍵醫學概念
水凝膠，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯
有限元分析
臨床類別
神經病學
由賓夕法尼亞州立大學提供