​跨时代技术之脑机接口，都选用了哪些化学材料？

跨时代技术之脑机接口，都选用了哪些化学材料？

2月20日，美国企业家马斯克表示，他旗下的脑机接口公司“神经连接”在完成首例人类大脑设备植入手术后，首位受试者“似乎已完全康复，没有出现不良反应。受试者只需思考就可以在电脑屏幕上移动鼠标”。此次实验对于人类无疑具有重要意义，通过向人脑植入电极、芯片等装置，建立连接人脑与外部设备的通信和控制通道，从而实现用大脑生物电信号直接操控外部设备或以外部刺激调控大脑活动的目的，这将为未来的人机互动提供强有力的保障，为一些医学难题的解决提供新的方向。

简单来讲，脑机接口可以使人脑与外部设备连接，使得神经信号可以通过传感器收集并转化为电信号等形式，将大脑思考或者尝试的想法从电子设备上以文字等手段输出，实现大脑与机器之间的信息交换。脑机接口有侵入式和非侵入式两类。侵入式，意味着患者通过开颅手术将电极传感器植入头骨下的脑皮层中，颅内作为接口位置，进而进行信息转化。非侵入式，是将传感器贴于患者颅骨外或头皮上，通过刺激捕获电信号以及分析化学传感信号，进而实现信息的脑机传输。

脑机接口能够实现人脑和外部机械设备之间的高通量信息交换。50多年来，神经生理学家、化学家一直使用各种电极、传感器材料来研究大脑活动，其中许多材料在化学研究领域很常见。现在，我们就简单整理一些化学材料在脑机接口技术中的应用，并分析它们为何能够在该领域得到关注。

碳纳米材料

碳纳米材料可分为零维碳材料富勒烯和纳米金刚石、一维碳材料碳纳米管、二维材料石墨烯。这些材料在脑机接口中应用的主要原因在于碳材料具有生物相容性和无毒性，提供了优越的电荷注入能力和高导电性，使高通量电极接口能够提高信号记录质量和刺激效率。碳纳米框架的轻量化、多孔性、柔韧性、导电性和稳定性，使其成为神经组织工程的有用工具，可以增强电极的灵活性。墨尔本大学一研究团队就曾选择性地将化学改性的纳米金刚石沉积在碳纤维微电极上，作为传感器用于脑内神经刺激、高质量的神经元信号记录和神经递质检测。

水凝胶

水凝胶是一种典型的软湿材料，具有独特的三维亲水网络结构，对人体组织友好。水凝胶因其独特的机械性能、生物相容性、离子电导率、结构可设计等特性而被广泛研究和使用。水凝胶可为多种无机纳米材料提供良好的载体，从而构建性能更加出色的复合材料。具有良好导电性、拉伸性、刺激响应性和高韧性的水凝胶，可用于可穿戴传感器、脑机接口电极等。通过收集和分析脑电图信号，脑机接口提供了对大量实时大脑信息的访问，包括大脑活动和精神状态。天津大学王伟伟研究团队成功开发出基于弹性体—水凝胶复合物的柔性电极，能够高效检测脑电信号，并应用于脑机接口研究。

有机电化学晶体管

有机电化学晶体管是一种兼具优异离子和电子传导特性的半导体材料，离子—电子相互作用使其可作为生物学和电子学之间的交互接口，可以直接感受电化学反应所产生的电子和空穴的浓度变化，从而实现高灵敏度的信号检测。这使它成为构建脑机接口系统的一种可行方案。复旦大学彭慧胜团队结合碳纳米管纤维与有机半导体材料，制备得到柔性可植入纤维状有机电化学晶体管，能实现生物体内化学物质微量变化的稳定检测，且表现出良好的生物相容性和稳定性。得益于对生物电子化学反应信号的出色捕获，该器件可实现对人体过氧化氢、葡萄糖、多巴胺、谷氨酸等的检测，展现出较高的灵敏度和稳定性。脑内免疫荧光实验表明，未发现器件带来的炎症反应，安全性能良好。

脑机接口是具有跨时代研究意义的科学技术，但它所面临的研究风险仍需重视，安全性以及器件稳定性有待时间验证。目前，我国在该领域研究应积极与国际接轨，未来将有着广阔的研究空间。

（莫尊理系西北师范大学教授、博士生导师， 吕文博系西北师范大学硕士研究生）