北京理工大学沈国震团队AM：一种可植入的水凝胶基无线超级电容器激活神经元系统实现双向调制

对大脑中的神经元进行双向调控，增强和抑制神经活动，是治疗运动神经紊乱、情感障碍和认知缺陷的重要方法，其作用机制源于通过双向调节神经元兴奋性与抑制性活动的动态平衡，进而实现神经环路功能重塑。

目前基于电刺激或电化学刺激原理的神经调控技术，主要采用植入式金属电极的单向直流电刺激模式。然而，该传统范式存在以下技术局限性：首先，刚性金属电极作为长期植入装置易引发宿主免疫排斥反应及机械失配性组织损伤；其次，持续性直流电刺激导致的电荷累积效应及焦耳热现象可造成神经组织不可逆损伤；最后，单向刺激模式难以实现神经环路的动态双向调控。基于上述技术瓶颈，开发具有生物相容性优异、动态调节特性显著且组织损伤风险低的新型神经调控技术已成为迫切需求。

近期，北京理工大学柔性电子集成与智造所沈国震教授、李腊副教授联合湖南工业大学生物与医学工程学院许建雄教授提出了一种可植入式无线水凝胶一体化超级电容器神经调控系统。相关工作以“ An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation ”为题发表在《Advanced Materials》。论文共同作者为湖南工业大学生物与医学工程学院硕士研究生盛翔宇与北京理工大学集成电子与电路学院博士研究生杜直建。

文章要点

该集成系统通过超级电容器阵列的能量存储模块、谐振耦合无线供能模块、二极管桥式整流电路与水凝胶电解质基质的系统整合，创新性地建立了基于离子扩散动力学的双向神经调控机制。区别于传统的Faradic电流作用模式，该系统通过调控电场方向策略可实现特定脑区神经活动的动态切换和精准调控，其间歇性振荡电流模式有效规避了直流刺激的电荷沉积问题，并在消除热力学损伤风险的同时维持稳定的电化学界面环境。该技术为帕金森病（基底神经节环路调控）、抑郁症（前额叶皮层-边缘系统神经调制）及阿尔茨海默病（海马区突触可塑性调控）等严重神经性疾病提供了创新平台，在神经工程领域注入了可植入器件生物界面优化与闭环调控系统集成的丰富潜力。

图1 无线超级电容激活神经调制系统（W-SCAN）的系统结构

W-SCAN由超级电容器（储能核心）、铜箔线圈（无线传输）、二极管桥电路（整流）和透明水凝胶（柔性基底）构成，体积小巧（厚度 183 μm），可植入皮下，通过无线能量传输精准刺激目标神经，减少对患者生活的影响。基于人体皮肤不同层杨氏模量的特性，设备具备良好柔韧性，弯曲形变小于10%，可适应生物组织曲面。器件具备供电模块，可支持植入式生理监测系统的供电；用于神经运动损伤治疗：通过电刺激激活神经肌肉收缩反应，改善功能；针对情绪障碍（如抑郁）：通过电刺激干预来调节脑细胞神经递质水平和皮层功能。

图2W-SCAN中超级电容模块的工艺开发

图2系统地展示了通过激光直写技术与直接油墨打印技术制备微超级电容器阵列的工艺差异及其性能表现。在激光直写工艺中，首先通过旋涂在PET基底表面形成均匀石墨烯前驱体薄膜，经激光刻蚀构建预定图案，最终通过水凝胶封装形成复合电极。实验测得该电极导电率高达575.6 S/cm，展现出优异的电荷传输能力。DIW技术则采用高精度微喷打印系统，将经粘度优化的功能墨水直接沉积于PET基底，随后通过水凝胶前驱体溶液浸渍及梯度热固化工艺完成器件成型。基于石墨烯材料在808 nm近红外波段的高吸收特性，创新性地引入近红外光控自蒸发技术，通过光热效应快速调节墨水粘度，保证了微米级图案的成型精度。力学性能测试表明，在10%拉伸/压缩应变条件下，复合电极电阻变化率仅为3%，这得益于PVDF-TrFE的强韧化作用。这种兼具高导电性、机械顺应性和环境稳定性的柔性电子器件，为可穿戴健康监测系统提供了理想的表皮接口解决方案。

图 3 探索基于水凝胶聚合工艺的功能化电极的卓越电化学特性

图3揭示了石墨烯基复合电极的优化机制：水凝胶封装通过自由基接枝反应增强电极表面极性，提升电荷存储能力。SEM、XRD与拉曼光谱证实材料结构稳定性，XPS显示PVDF-TrFE与自由基形成C-O键，强化表面氧化活性。该电极经多孔优化后展现1.9 mF·cm⁻²面电容，5000次循环后容量保持率80.88%。水凝胶电解质因亲水基团实现98.6%吸水率与长效保水，柔性器件在500次弯曲和95%压缩回弹下仍保持电化学稳定。该研究为生物相容性电极-电解质界面设计提供了重要参考。

图4 W-SCAN的无线功率传输行为

图4展示了一种可植入式无线供能系统：发射线圈通过高频电流产生磁场，优化设计的矩形接收线圈经整流电路输出1.48V直流电压和24.2 μA电流，传输效率达63.7±2.1%。兔体实验显示，植入7天后电压保持率96.7%，经弯曲和扭转后效率仍超88%，且无组织炎症，得益于水凝胶封装的高透氧性和透湿性。系统在皮下及脑部持续运行30天后保持0.38mW⸱cm-³功率密度，适用于神经刺激器等植入设备，具备临床转化潜力。

图5 W-SCAN作为颅内靶向离子电刺激介质的应用

基于对称结构超级电容器设计了一种无线神经调控系统，通过电场诱导离子扩散效应实现低频（50 Hz）、低功耗（30 nA）双向神经调节：植入水凝胶电极后，体液中阳离子在电场下定向迁移，通过改变静息膜电位激活或抑制神经元兴奋性，且振荡电流避免直流刺激的热损伤。活体实验表明，刺激丘脑可增强δ波（抑制癫痫）或减弱δ波（改善抑郁），双向调节脑电活动；杏仁核及前额叶刺激亦呈现类似双向EEG信号变化，且连续刺激下信号稳定，无组织损伤，验证了其神经疾病治疗的临床应用潜力。

结论与展望

本文成功开发了一种基于水凝胶封装的植入式无线超级电容器激活神经元系统（W-SCAN）。该系统以对称电极的超级电容器为核心，结合线圈、二极管桥电路和刺激电极，实现了对脑神经活动的安全、无线、双向调制（兴奋与抑制）。通过原位自由基加成策略，超级电容器的电容提升了约90倍，无线传输效率（WTE）达75%，植入皮下后仍能保持约50%的WTE，且体内7天后电压保留率达96.7%。水凝胶的生物相容性验证表明，细胞存活率高达304.9%，组织病理学分析显示无炎症或损伤。在活体兔脑实验中，该系统通过离子扩散电流成功调节丘脑、杏仁核及前额叶的脑电信号，证实其对帕金森病、重度抑郁和阿尔茨海默病的潜在治疗价值。该研究为基于内源电场的神经调控提供了新范式，未来有望成为治疗运动障碍与情感认知缺陷的革新性技术。

课题组链接：

https://www.x-mol.com/groups/iFlex

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202504558

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！