近日，机械工程学院高性能精密制造全国重点实验室的微纳制造与先进传感技术团队在国际顶级期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表题为“一种可自支撑的亚微米皮层脑电电极阵列”（A freestanding submicron electrocorticography electrode array）的研究论文。

皮层电极贴敷在大脑皮层表面，可以实时采集和调控脑电信号，是半侵入式脑机接口系统的核心器件。大脑皮层极其柔软（弹性模量仅为千帕量级）且形貌复杂（脑沟深宽比可达20:1），要求皮层电极超薄超软，才能够与大脑的力学性能相匹配，与褶皱的沟回表面共形贴合，从而降低异物排斥反应，提高脑电信号质量。但是，超薄超软的皮层电极无法自支撑，会自发卷曲或褶皱，导致难以操作和植入。如何使皮层电极兼具贴合时的“柔性”和操作时的“刚性”，是制约该领域发展的瓶颈问题。

图1.自支撑亚微米皮层电极的设计.a)皮层电极的结构和功能示意图; b)厚度对共形性能的仿真分析; c)类翅脉结构对自支撑性能的仿真分析; d)皮层电极实物照片及操作过程.

图2.亚微米皮层电极和厚度10μm皮层电极采集的脑电信号质量和生物相容性对比. a)皮层电极植入示意图; b-c)皮层电极植入照片;d)脑电信号幅值对比; e-g)‌大脑半球间沟区脑电信号对比; h)信噪比对比; i)阻抗对比; j)厚度10μm皮层电极的通道产率; k)生物相容性对比.

针对该问题，研究团队受蜻蜓翅膀的“脉-膜”复合结构启发，提出一种高性能极薄皮层电极设计与制造方法。针对皮层电极自支撑性能，构建脉-膜复合结构弯曲变形力学模型，解算出类翅脉支撑结构的宽度与厚度阈值；针对皮层电极共形贴合性能，构建弯曲能与变形能的竞争模型，优化出类翅膜功能区域的几何参数。在此基础上，基于成熟的光刻工艺，提出一种“脉-膜”复合结构制造方法，研制出可自支撑的厚度仅为850 nm的高性能皮层电极，化解了“刚”与“柔”不可兼得的矛盾（图1）。开展了皮层电极植入及癫痫脑电信号监测动物实验，与厚度10μm的皮层电极相比，亚微米皮层电极采集的脑电信号幅值和信噪比以及阻抗、长期记录稳定性和生物兼容性等均得到了全面提升（图2）。

本论文的共同第一作者为我校博士生王楚超与刘泽汉、大连医科大学博士生张武豪和我校硕士生杨冉，通讯作者为我校李宜副教授、大连医科大学附属第二医院尹剑教授、我校吴梦希教授和刘军山研究员。论文合作者包括我校医学部基础医学院陆珊珊助理教授、大连医科大学附属第二医院王冠宇副主任医师等。论文工作还得到了浙江大学张韶岷教授和我校刘海龙副教授的指导和帮助。研究得到了教育部学科突破先导项目、辽宁省兴辽英才计划、大连市科技创新基金和大连理工大学医工交叉项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77707-6