宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种3D打印柔性脑电极的新方法。这项发表于《先进材料》的研究旨在解决神经接口技术中长期存在的共性难题。

传统生物电极采用刚性材料与通用几何形状，无法贴合大脑高度个性化的表面拓扑结构。每个人的大脑皮层褶皱、脑回和脑沟排列方式因年龄、性别、体重或身高而异，导致贴合度不佳。论文通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学助理教授周涛解释道，尽管每个人的大脑结构各不相同，但现有神经接口装置却试图如同对待标准结构般适配所有大脑。这促使他们开发基于个体脑结构定制的电极。

研究团队主要采用水凝胶构建电极，以尽可能匹配脑组织的力学特性。为确保其软化时不会丧失强度，团队选择了蜂窝状架构，使设备更轻、用料更少且制造迅速。

周教授强调，该蜂巢结构在保持机械强度的前提下显著降低了电极刚性。更重要的是，该结构减少了制造过程中的总体材料消耗，从而缩短生产周期、降低成本并减轻环境负担。

制造流程始于核磁共振扫描，通过有限元分析生成患者神经结构的精细化仿真模型，并重建出3D模型。专用软件据此设计出电极，使其形状与该大脑的特定脊和沟相吻合。随后采用直写成型技术进行打印。这种方法能够在较小表面积上制备可监测与传输脑信号的电极。

基于21位患者的核磁共振数据，团队3D打印出大脑模型并实测电极与各脑表面的贴合程度。在所有案例中，贴合度均优于传统设计。水凝胶电极展现出近乎完美的电连接性能，且相较于刚性电极，其应用过程不会损伤柔软脑组织。在为期28天的大鼠模型试验中，电极未引发免疫反应并始终保持稳定的工作性能，也未干扰脑脊液循环——而刚性电极常会造成此类问题。

周教授指出，根据大脑特异结构定制电极能显著提升监测可靠性。由于电极与脑组织贴合度更高，信号质量获得了实质性改善。研究团队正计划推进该技术的临床应用转化，首先用于监测神经退行性疾病，随后扩展至治疗领域。周教授透露，他们期望通过技术优化使电极能够特异性监测各类疾病。未来他们期待与临床患者合作，探索该技术在医疗场景中支持脑功能监测与疾病治疗的实践路径。理念是：医院可在早上接收到核磁共振扫描，神经外科医生当天下午就能获得根据患者精确解剖结构打印出的电极。

*封面图：具有蜂窝结构的柔性生物电极，使其能够在大脑表面拉伸而不损失电阻。图片来源：Tao Zhou/Penn State。