摘要神经接口技术正通过仿生策略革新生物电子界面设计，致力于提升设备与组织的兼容性与功能性。当前研究聚焦于将柔性材料与组织工程结合，在设备表面构建具有生物活性或含活细胞的动态界面层，以此促进生物组织的无缝整合并解锁细胞调控的治疗潜力。本文系统梳理了仿生电子学领域的最新进展，涵盖三大创新方向：1）类组织柔性生物材料的开发；2）表面生物活性功能化涂层的优化；3）生物杂交界面（含生物组分）与全生命界面（含活体细胞）的构建。通过厘清关键术语体系，重点解析了生物活性成分在缩小实验室成果与临床应用鸿沟中的核心作用，为下一代可实现长期稳定整合、具备生物响应能力的智能神经接口指明发展方向。


图文速览


神经电子学的快速发展正重塑疾病诊疗体系，通过侵入式与可穿戴技术实现对生理功能的精准监测与调控。

技术应用双路径：非侵入式技术（如头皮脑电图EEG）凭借低成本、安全性成为癫痫、帕金森等神经疾病的核心诊断工具，但受限于低频信号采集；侵入式技术（如脑机接口BCI、深部脑刺激DBS）则突破空间限制，支持高带宽记录深部脑区活动，推动运动恢复、假肢控制等突破性治疗。

历史与临床转化：自1998年首例人类植入试验至BrainGate犹他电极阵列应用，数十年间植入设备已衍生出ECoG癫痫监测、闭环感觉运动接口等多元场景，并加速向临床转化。挑战与未来方向：尽管技术革新显著，电子器件与生物组织间的物性差异仍制约植入体功能与寿命。当前研究聚焦三大仿生策略——类组织柔性电子、生物活性界面工程及生物杂交/全生命系统集成（见图1），旨在实现植入体与宿主组织在结构与功能上的无缝融合，突破现有技术瓶颈。

仿生神经接口和电子学通过优化设计与材料选择模拟目标组织的物理特性，实现静态结构整合以降低炎症反应和异物排斥（FBR），同时最小化植入物微动引起的机械应变，并适配组织的形态与生化特性。其设计策略可分为几何优化（如超薄金属/半导体结构降低抗弯刚度、三维网格与开放界面增强组织整合、蛇形结构提升可拉伸性）和材料创新（包括柔性聚合物、水凝胶、低密度纳米材料及纳米复合材料）两大类。经过长期临床前验证，基于微电极的仿生神经接口技术已进入商业化临床阶段，典型代表包括Synchron的支架电极、Neuralink的柔性导线以及Precision Neuroscience的薄膜微皮层电图网格，此外还有更多类似系统处于临床试验推进过程中。


将组织工程与生物电子学结合，通过构建集成宿主细胞的生物平台可显著提升神经界面的生物相容性与长期整合性。早期生物混合策略聚焦于活细胞与电子器件的直接结合，例如1988年采用中空玻璃锥包裹金线并嵌入坐骨神经片段的“锥形电极”，其通过促进神经突起长入电极实现长达15个月的稳定记录，且后续人体临床试验显示植入13年后电极尖端仍存在神经生长而无胶质瘢痕，证明细胞整合系统的优越性远超单纯生物分子涂层。2002年开发的“筛电极”首次将轴突生长容器与微电极结合，利用生物混合装置中的轴突作为电极与肌肉间的信号中继，实现了周围神经损伤后肌肉控制的恢复。近年来，该领域进一步拓展为两大方向：一是通过细胞外基质（ECM）衍生生物分子修饰电极以增强细胞黏附，二是构建功能性载细胞水凝胶支架，例如在导电聚合物纤维表面直接培养神经元并覆盖琼脂糖层固定网络，形成机械顺应性电极阵列；或在柔性微电极阵列上铺展工程化轴突束，嵌入琼脂糖基质后植入神经导管，实验显示植入体内2周即可诱导宿主轴突再生与血管化，为神经修复提供新路径。

术语“活体电子和接口”指完全由生物衍生材料与活细胞组成的系统，与生物混合设备不同，活细胞不仅提供生物界面层还充当设备内有源输入/输出端子，植入物与宿主组织间信息交换主要由活细胞记录、转导和调节，利用此方法可开发用于中枢及外周神经系统等体内电活性组织双向通信的所有活体电极，基本原理是用神经元轴突替代其他导电材料作信号传感器，将神经元和轴突束包裹引导于水凝胶微柱中，可生物制造准备植入的活体组织工程医疗产品。


总结与展望


近年来，活体电极的概念在神经系统疾病治疗中得到了广泛应用，其中微组织工程神经网络（μTENNs）作为一种仿生长距离神经元通路的制造方法，自十年前首次引入以来，逐渐成为研究热点。μTENNs由一个水凝胶微柱构成，微柱上接种的神经元群体通过微柱内腔生长出长突轴突，形成基于轴突的活电极，作为与神经系统通信的平台技术，用于恢复损伤或神经变性后失去的功能。尽管大多数研究集中在单个μTENNs的应用，但通过嵌套μTENNs，还可以构建3D多细胞生物电路。例如，背根神经节感觉神经元（DRG-SN）的双向轴突生长能够支配皮质神经元和心肌细胞，展示了全生物神经调节生物回路的可行性。此外，钙荧光成像技术被用于评估3D组织工程轴突束的功能连接，进一步凸显了这些结构作为神经研究生理相关体外平台的潜力。