仿生电子：柔软、生物混合与“活体”神经接口

面向神经系统的温和器件

从让人们操控机器人手臂的脑—机接口，到缓解帕金森症状的深部脑刺激器，能够与神经对话的电子设备正迅速从科幻走向医疗现实。然而，现有设备本质上仍是将金属与硅件插入像布丁一样柔软的组织中。本文综述了科学家们如何重新设计这些工具，使之更像身体本身——更柔软、更具生物活性，甚至部分“有生命”——以期让神经植入物更安全、寿命更长并有助于大脑与神经的愈合。

传统植入物为何不够理想

传统神经植入物，如犹他阵列和深部脑刺激导线，由刚性金属和硅制成。这些材料的刚度比脑组织高出数百万倍，而脑组织的行为更像果冻而非玻璃。刚度不匹配使设备难以贴合大脑细微的运动和形状。随着每次心跳和呼吸，组织发生位移，刚性电极摩擦并牵拉，造成微小损伤。身体会识别这些异物并启动免疫反应，将其包裹在由支持细胞形成的致密瘢痕中。随着时间推移，这层瘢痕增加了设备与附近神经元之间的电阻，降低信号质量并限制植入物可靠工作的时间。

能随大脑一起移动的柔性器件

为减少这种损伤，研究人员正在制造“仿生”电子——其物理特性模仿接触组织的设备。工程师不再使用粗厚刚直的支杆，而是制作超薄膜、柔性纤维和开放网格结构，能像活细胞一样弯曲与卷曲。柔软的高分子、可拉伸橡胶和富含水分的凝胶有助于匹配大脑的柔软性，并减弱触发炎症的力。有些器件将导电塑料或石墨烯等纳米材料编织进柔性骨架，在显著降低刚度的同时保持高质量的电学记录。若干柔性接口，包括如线状的脑内植入物和置于脑表面的薄膜网格，已进入人体试验，表明更温和的力学特性可以与先进电子学并存。

邀请细胞靠近而非将其推开的表面

让器件更柔软只是部分解决方案。大脑细胞也会对植入物表面的化学“触感”作出反应。生物活性电子学利用这一点，通过在电极表面涂覆神经系统已熟悉和信任的生物成分，例如围绕细胞的天然支架蛋白或促进神经生长的短肽分子。这些涂层可以鼓励神经元更靠近电极生长，抑制免疫细胞的活性，并减薄通常形成的瘢痕。有些涂层设计为在需要处缓慢释放抗炎药物或生长因子，将被动的金属线转变为智能的药物递送界面。未来的挑战是让这些脆弱层在体内多年保持稳定和有效。

将活细胞与电路融合

进一步沿着谱系发展，“生物混合”设备在电子元件中或其表面整合真实的活细胞。一种策略是在植入前在电极上培养细胞，有时将其封装在模拟脑组织的柔性水凝胶中。进入体内后，这一活体层可以分泌有益分子、吸引神经纤维，并在刚性硬件与宿主组织之间形成生物学桥梁。早期版本，例如诱导神经纤维进入的锥形电极，在人体中已实现超过十年的稳定记录。更新的做法是在电极上接种干细胞、神经细胞或肌肉细胞，目标不仅是读取或刺激电活动，还要再生受损路径并恢复丧失的功能，例如神经损伤后的运动能力。这些系统必须解决保持细胞存活、引导其生长并防止其迁移或形成不当连接的难题。

用于大脑的全活体“线路”

在最雄心勃勃的方向上，“活体界面”完全由生物材料与细胞构成。在这里，实验室培育的长束神经纤维作为活体电缆，可植入以重新连接脑区或桥接受损神经的断端。这些构造不是通过金属传导电流，而是利用自然突触——神经元之间的接触点——来传递信号。在脑内，这类活体通路已被设计为携带特定的化学信息，例如多巴胺，这让人们对通过重建丢失的回路来治疗帕金森病等疾病抱有希望，而不是仅靠电脉冲掩盖症状。因为这些器件完全是生物性的，它们能很好地与宿主组织整合，但也需要新的监测与控制方法，常常依赖光学成像与光刺激，而非传统导线。

这对未来脑与神经护理意味着什么

柔软、生物活性、生物混合以及全活体界面共同勾勒出一条路线图，指向与身体协同而非对抗的神经技术。更柔和的力学特性与更友好的表面可以减少瘢痕并延长器件寿命；加入活细胞乃至完整的组织通路，或能让植入物修复或替代受损回路，而不仅仅是从中记录。对于含细胞或全活体系统，尚有许多科学、制造与监管上的难关要跨越。但方向已明：未来的脑与神经植入物很可能看起来与行为上更像经过精心工程化的活组织，而非刚硬的小装置。

引用: Boufidis, D., Garg, R., Angelopoulos, E. et al. Bio-inspired electronics: Soft, biohybrid, and “living” neural interfaces. Nat Commun 16, 1861 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57016-0

关键词: 神经接口, 生物混合电子学, 柔性植入物, 脑—机接口, 组织工程