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共轭高分子在脑机接口中的应用与展望

高分子学报, 2025, 56(3): 377-395

DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24249

封面设计理念

该封面设计由三个主要部分组成：第一部分为底部的人脑表面；第二部分为紧贴大脑皮层表面的柔性器件，用于传递脑电信号；第三部分为顶部放大的区域，展示了器件内部用于感知神经电信号的共轭高分子材料。

封面中，三个部分相互关联，共同呈现脑机接口技术的核心理念。底部的人脑皮层以其褶皱且柔软的结构，突显了新一代脑机接口技术对柔性和高贴合度器件的要求，只有具备这些特性，才能实现器件与大脑之间的高质量信号传递。第二部分中的柔性器件紧密贴合大脑表面，展示了基于共轭高分子材料的柔性电子器件在满足上述需求方面的优越性能。通过第三部分的放大图，可以观察到器件内部包含p型（左侧）和n型（右侧）两种互补的半导体共轭高分子材料。这一设计展现了通过构建基于半导体共轭高分子的互补逻辑电路，实现脑电信号原位处理的巨大潜力。

从整体设计来看，封面以深蓝色为主背景色，营造出强烈的科技感与未来感，契合脑科学和生物电子器件的主题。两侧对称展示不同材料的结构，通过轨迹将各部分连接，清晰传递脑机接口技术的核心内容。同时，封面直观呈现了共轭高分子材料在脑机接口中的独特优势，展示了其广阔的应用前景。

文章亮点

       本文系统梳理了近年来共轭高分子在脑机接口领域的研究进展，聚焦于两大方向：基于导电共轭高分子的柔性电极，以及基于半导体共轭高分子的有机电化学晶体管（OECT）。本文认为OECT技术在神经信号采集中具备显著优势，未来应进一步开发OECT互补逻辑电路的潜力，以实现神经信号的原位采集与处理。这一方向为提升脑机接口的功能集成度提供了重要思路。此外，文章还指出，加强对共轭高分子水凝胶材料与器件的研究具有深远意义，通过优化其与生物组织的力学匹配性并降低免疫排斥反应，有望推动长期稳定的神经信号监测技术的发展（图1）。

图1 半导体共轭高分子材料在柔性脑机接口领域的应用及前景示意图。通过构筑电路实现原位信号放大和处理功能；通过构筑水凝胶界面，提升器件-组织界面相容性，实现长期稳定的信号监测

文章背景

 脑科学是21世纪最具挑战性和前沿性的研究领域之一，脑机接口（BCI）作为重要分支，有望实现生物神经系统与电子设备之间的双向通信，在神经科学、医疗康复和虚拟现实等领域发挥着重要作用。信号采集技术作为BCI的核心环节，成为研究的重点。然而，用于信号采集的传统刚性电极在机械性能匹配、信号质量、生物相容性和长期稳定性方面存在诸多问题，严重限制了其实际应用。

共轭高分子凭借其柔性、可调控的化学结构以及离子-电子混合传输能力，成为柔性BCI的重要材料。近年来，导电聚合物神经电极取得重要进展，显著提高了脑电信号采集质量。但导电聚合物电极信噪比有限，难以检测微弱信号。基于半导体聚合物的有机电化学晶体管（OECT）因其卓越的原位信号放大能力，为高灵敏度神经信号采集提供了解决方案。同时，导电水凝胶和半导体水凝胶的开发为构建长期稳定的生物界面提供了新途径，进一步推进了柔性BCI的发展。总结该领域的研究进展及挑战，有利于研究者把握现状，为未来研究提供借鉴。

文章概述

       本文首先梳理了BCI技术的发展现状，指出传统金属/无机材料电极在力学匹配和信号采集中的局限性，并提出共轭高分子材料在柔性BCI中的独特优势（柔性、优异的生物相容性以及离子-电子混合传输特性）。文章进一步总结了导电聚合物（如聚吡咯和PEDOT:PSS等）在神经电极中的应用进展，提出其因不具备原位信号放大和滤波能力，导致灵敏度有限，难以捕捉具有高时空分辨率的微弱神经信号。为此，本文深入探讨了OECT器件的工作原理及其在神经信号采集中的优势及应用（图2）。作为一种有源器件，OECT能够在信号记录点直接实现信号放大，有效降低噪声并获取更丰富的电生理信息。此外，基于OECT的互补逻辑电路为器件功能多样化提供了可能，为柔性BCI技术的发展开辟了更广阔的前景。

图2 基于有机电化学晶体管（OECT）的神经电极。（a）器件的光学显微照片；（b）器件贴附在大脑体感皮层上的光学显微照片；（c）不同器件（OECT电极（红色）、PEDOT:PSS表面电极（蓝色）和穿透式铱电极（黑色））记录得到的大鼠病理性癫痫活动信号对比

为实现长期稳定的神经电信号监测，本文重点探讨了信号采集系统与生物组织力学匹配的优化策略，以减少生物免疫反应对器件性能的影响。水凝胶作为一种具有三维网络结构的高含水材料，具有类组织力学性能和优异的生物粘附性，可显著降低免疫排斥。其中，基于共轭高分子的导电水凝胶已被证明是连接生物系统与电子器件的理想界面材料。值得关注的是，雷霆团队于2024年首次开发出半导体水凝胶材料，创新性地将半导体的逻辑运算功能与水凝胶的力学和生物学特性相结合，成功构建了兼具信号处理能力、柔软和高生物相容性的神经界面器件（图3），为下一代脑机接口技术的发展提供了新的思路。

图3 雷霆团队开发的半导体水凝胶材料与器件。（a）半导体水凝胶的工作原理；（b）基于半导体水凝胶的逻辑电路（包括单个OECT、非门（反相器）、与非门和或非门）；（c）半导体水凝胶放大器原位采集小鼠皮层脑电图（ECoG）的照片和电路连接，以及捕获到的信号和时频分析（箭头标注了声音刺激点位）

 最后，文章指出共轭高分子在推动柔性BCI向高密度集成、高时空分辨率和长期稳定监测方向发展具有重要意义。虽然目前已取得重要进展，但仍面临材料设计、器件加工和系统集成等方面的诸多挑战。未来研究需聚焦上述问题，重点突破。

       上述工作以综述形式在《高分子学报》2025年第3期印刷出版。

潘熙然, 张志, 雷霆. 共轭高分子在脑机接口中的应用与展望.高分子学报, 2025, 56(3), 377-395Pan, X. R.; Zhang, Z.; Lei, T.Application and prospects of conjugated polymers in brain-computer interfaces. Acta Polymerica Sinica, 2025, 56(3), 377-395doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24249CSTR: 32057.14.GFZXB.2024.7324