第一作者：Xiangyu Sheng，Zhijian Du

通訊作者：Jianxiong Xu，La Li，Guozhen Shen

通訊單位：北京理工大學，湖南工業大學

DOI: 10.1002/adma.202504558

背景介紹

腦神經雙向調控技術通過興奮或抑制神經元活動，在治療運動神經障礙、情緒失調及認知缺陷等領域具有重要價值。當前主流技術如經顱直流電刺激（t-DCS）和深部腦電脈沖刺激（DBS）依賴金屬探針植入，存在安全性低、單向調節、空間分辨率不足及長期植入并發癥等問題。近年來，基于內源電場（EEF）的離子擴散效應因其低頻、弱刺激和生物相容性優勢成為新型神經調控策略，但其能量供給模塊仍面臨儲能效率低和雙向調節機制匱乏的挑戰。超級電容器憑借對稱電極結構和高安全性電荷存儲特性，為雙向神經調控提供了潛在解決方案，然而傳統器件在體內應用中存在界面阻抗高、無線傳輸效率不足以及生物適應性差等瓶頸。針對上述問題，本研究提出了一種水凝膠一體化的植入式無線超級電容器激活神經元系統（W-SCAN），旨在通過材料創新與集成設計實現安全、高效的雙向神經電干預。

本文亮點

1. 水凝膠封裝超級電容器的創新設計

提出基于PVDF-TrFE與石墨烯復合電極的柔性超級電容器，通過水凝膠原位自由基加成策略實現電極表面極性基團的高效修飾。該設計顯著提升電極-電解質界面離子吸附能力，電容值較未封裝器件提高約90倍，同時水凝膠作為電解質和生物封裝層，解決了傳統金屬電極的機械剛度與組織兼容性矛盾。

2. 高效無線能量傳輸與長期穩定性

開發具有圓角優化的矩形銅線圈結構，結合二極管橋電路實現75%的無線傳輸效率（WTE），植入皮下后仍保持50% WTE輸出。器件在活體兔7天植入實驗中電壓保留率達96.7%，循環充放電5000次后容量保持80.88%，其力學穩定性（<3%電阻變化率）滿足生物組織動態形變需求。

3. 生物相容性與神經調控功能驗證

水凝膠封裝系統通過細胞毒性實驗顯示304.9%的HUVECs增殖率，組織病理學分析證實無炎癥或組織損傷。植入兔腦丘腦、杏仁核及前額葉后，通過外部線圈誘導的離子振蕩電流（≈30 nA, 50 Hz）實現δ波同步化與去同步化的雙向調節，證實其對帕金森病震顫抑制（δ波增強）和抑郁改善（δ波衰減）的潛在臨床價值。

4. 內源電場驅動的低風險調控機制

基于超級電容器對稱電極特性，通過外部交變電場切換實現離子擴散方向調控，避免了傳統直流電刺激的熱損傷風險。電生理實驗表明，低頻率（<100 Hz）振蕩電流可精準調節神經元膜電位，為開發非侵入式、自適應神經調控系統提供了新范式。

圖文解析

圖1. 無線超級電容激活神經調制系統（W-SCAN）的系統結構。 (a) W-SCAN作為皮下植入的無線輸電裝置示意圖。 (b) W-SCAN應用場景示意圖。 (c) W-SCAN作為無線輸電系統的邏輯結構。 (d) 同彎曲角度下W-SCAN的FEA力學場模擬和光學照片。

圖2. W-SCAN中超級電容模塊的工藝開發。 (a) 采用激光直寫技術制備器件的過程。 (b) 使用激光直寫技術顯示設備的光學照片。 (c) 用臺階儀測得超級電容模塊的通道顯微圖和電極厚度。 (d) 用四探針法測定了水凝膠封裝前后碳膜的電導率。 (e) 使用直接油墨印刷技術制備器件的過程。 (f) 使用直接油墨打印技術的顯示設備的光學照片。 (g) 石墨烯基油墨的粘度-剪切速率曲線。 (h) 水凝膠封裝后碳膜在不同應力作用下的電導率變化。

圖3. 探索基于水凝膠聚合工藝的功能化電極的卓越電化學特性。 (a) 水凝膠封裝前后的電極中離子吸附示意圖。 (b) 循環伏安法測定了水凝膠封裝前后的四種碳膜的電容。 (c) 電極表面發生的電化學儲能示意圖及基于EIS測試的等效電路圖。 (d) 化學工程反應前后膜的水接觸角。 (e) FT-IR光譜。（f）XPS光譜。 (g) 表面電位。

圖4. W-SCAN的無線功率傳輸行為。 (a) 基于發射線圈和接收線圈的無線傳輸原理圖。 (b) 接收線圈在一系列轉角、轉角半徑和導線直徑下的接收電壓。 (c) W-SCAN在發射線圈與接收線圈之間不同垂直距離、不同交角、不同偏置距離下的接收電壓。 (d) 通過發射和接收線圈實現LED照明的光學顯示。 (e) W-SCAN在連續充放電過程中輸出的電壓時間曲線。 (f) W-SCAN 7 天的細胞毒性測試和免疫熒光圖像。 (g) W-SCAN植入1周后腦部及背部內部組織的H&E圖像。

圖5. W-SCAN作為顱內靶向離子電刺激介質的應用。（a）受刺激顱內神經興奮性變化示意圖。（b）基于探針和腦組織的離子極化效應示意圖。（c）刺激目標在腦內的定位圖。（d）W-SCAN 植入腦表皮的 CT 圖像。（e）I. 接觸腦組織的刺激電流-時間曲線；II. 接觸腦組織的低頻振蕩電壓-時間曲線。（f）丘腦在電刺激前后的功率譜。（g）丘腦在刺激前后的頻率譜。（h）丘腦、杏仁體和前額葉在刺激前后的頻譜變化百分比。（i）在施加電場時腦電信號的變化。

來源：柔性傳感及器件