在神经刺激协议下铂电极腐蚀的电化学研究

这对脑部和听力植入物为何重要

现代的脑部和听力植入物通过向神经发送微小电脉冲来恢复运动、听力或情绪。这些设备必须在体内安全工作数十年，常常从儿童时期就开始使用。在这项研究中，研究人员提出了一个简单但关键的问题：正是那些使植入物发挥作用的脉冲，会否在不知不觉中侵蚀传递它们的金属接触点？如果会，在哪些条件下这种隐蔽损伤会变得危险？

微小金属接触如何维持神经之间的通信

从人工耳蜗到深部脑刺激器，大多数临床刺激器使用铂接触点将电流传递到邻近神经细胞。铂之所以被选用，是因为它稳定且导电性能良好。医生在设计刺激模式时会保持在一个所谓的“安全”电范围内，主要依据是避免产生气泡和组织损伤。但以往的工作表明，即便在与体液相似的中性pH条件下，铂仍可能缓慢溶解。然而直到现在，大多数测量仅比较长期试验前后的电极状态，使得在数十亿次脉冲期间实际发生的损伤过程大多未被实时观测到。

一种实时观察电极老化的新方法

作者构建了一个自动化测试平台，模拟人工耳蜗在动物和人体使用中的刺激方式。一台商业神经刺激器将快速、荷平衡的脉冲通过浸在类体液盐溶液中的薄膜铂接触点发送。按设定间隔，电子开关将相同接触点连接到灵敏的电化学仪器和示波器。这使团队能够跟踪相对于参考电极的精确电压，并测量其表面在氧还原等关键反应中的有效活性面积。由于铂薄膜仅有约100纳米厚，机械轮廓测量可以以纳米精度检测材料流失，光学显微镜和电子显微镜则揭示表面形貌随时间的变化。

真正导致金属崩解的原因

跟踪单个电极经历数十亿次脉冲后，研究人员观察到一个典型的四阶段生命周期。早期，表观有效表面积实际上增加，可能由于金属的轻微粗糙化和清洁作用。随后，材料开始从边缘和表面变薄，而电学测试仍显示相对正常。当剩余的铂膜几乎被消耗时，表面突然重组：局部膨胀并变得粗糙，出现贯穿到底层钛的孔洞，脉冲期间的电压冲出安全的“水窗口”，在该范围会产生氢气和氧气气泡。此时电极已无法继续使用。一个关键发现是，最严重的损伤发生在每个脉冲反复生成一层薄的铂氧化物层然后又将其剥离的情况下。这种化学循环显著加速了金属的流失。

纸面上相似的脉冲也能使电极老化差别巨大

团队接着比较了将相同总电荷在刺激脉冲中不同安排方式的影响。他们改变了负相或正相先发出，以及刺激器在脉冲之间是否主动将电极短接以强制它们回到共同的起始电压。令人惊讶的是，仅改变相序和放电行为对腐蚀的影响远大于对每脉冲电荷密度的适度改变。有两种协议类型反复推动电极在形成氧化物和去除氧化物之间来回，导致严重粗糙化和最终失效。另有两种协议类型，尽管每相电荷相同，但电压历史要么只形成氧化物、要么只进行还原，在测试期间未显示出可测量的材料流失或表面粗糙化。总体而言，在电流控制条件下的寿命高度可变，基于简单电荷的安全规则并不能可靠预测电极何时会失效。

重新思考“安全刺激”的含义

这项工作表明，仅将刺激限制在传统电荷范围内不足以保证电极的长寿命。最重要的是铂表面在脉冲期间及脉冲间的电压如何变化，尤其是是否循环经过氧化物形成与去除的范围。通过将实时电压监测与重复的表面测量相结合，作者展示了一个框架，可以揭示临床使用的协议在明显失效之前何时悄然驱动腐蚀。对于未来的植入物，这意味着脉冲形状、相序以及设备在脉冲间让电极放松的方式，除了为神经反应和组织安全进行优化外，还应避免那些缓慢消耗使刺激得以实现的金属的有害化学循环。

引用: Reinelt, S., Doering, M., Weltin, A. et al. Electrochemical investigation of platinum electrode corrosion under neurostimulation protocols. npj Mater Degrad 10, 49 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00789-6

关键词: 神经刺激电极, 铂腐蚀, 人工耳蜗植入, 电极寿命, 脑植入物