2025年7月1日晚七點(diǎn)多，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的副研究員韓飛正準(zhǔn)備吃晚飯，手機(jī)上突然彈出一封郵件提醒。點(diǎn)開一看，原來是Nature期刊編輯部發(fā)來的文章接收通知。第一眼，他幾乎不敢相信；再次確認(rèn)了一遍，他才確信——團(tuán)隊(duì)耗時(shí)5年的研究成果，終于被Nature正式接收了。
論文在9月17日晚正式發(fā)表。90后青年學(xué)者韓飛是論文的共同第一兼通訊作者。
有趣的是，這項(xiàng)研究有一個(gè)最關(guān)鍵的步驟——卷，字面意義的卷。他們將厚度僅為數(shù)百納米的柔性薄膜，卷繞成一種如發(fā)絲般細(xì)小、柔軟可拉伸且可自由驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)纖維電極——NeuroWorm（神經(jīng)蠕蟲），首次打破了傳統(tǒng)靜態(tài)植入式電極的限制，開創(chuàng)性地提出了腦機(jī)接口“動(dòng)態(tài)電極”的新范式，為下一代電極的發(fā)展和腦機(jī)接口研究開辟了新方向。
放大鏡視野下的NeuroWorm纖維電極。受訪者供圖
值得注意的是，這項(xiàng)研究成果由深圳先進(jìn)院劉志遠(yuǎn)、韓飛團(tuán)隊(duì)聯(lián)合徐天添團(tuán)隊(duì)，以及東華大學(xué)嚴(yán)威團(tuán)隊(duì)共同完成，是柔性電子與神經(jīng)工程交叉融合的一個(gè)典型案例。深圳先進(jìn)院為論文第一單位。
一個(gè)懸而未決的問題
故事始于2020年。當(dāng)時(shí)，韓飛是復(fù)旦大學(xué)與深圳先進(jìn)院的聯(lián)合培養(yǎng)博士生，與謝瑞杰一起，在劉志遠(yuǎn)課題組聚焦柔性生物界面?zhèn)鞲胁牧吓c器件領(lǐng)域開展研究。
相較于可穿戴設(shè)備，植入式柔性電極能與體內(nèi)組織建立更緊密、穩(wěn)定的連接，不受皮膚或環(huán)境干擾，可長(zhǎng)期采集高保真度的深層生理信號(hào)，為疾病診療與人機(jī)接口帶來獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
然而，在植入式電極領(lǐng)域有一個(gè)懸而未決的問題，即電極均是“靜態(tài)”的——一旦植入就無法調(diào)整，不僅難以應(yīng)對(duì)術(shù)中位偏、術(shù)后位移等情況，還可能因組織排異導(dǎo)致信號(hào)衰減。例如，傳統(tǒng)的深腦刺激電極若植入位置不理想或發(fā)生移位，往往需二次手術(shù)調(diào)整，不僅增加風(fēng)險(xiǎn)，也限制了其長(zhǎng)期應(yīng)用的效能。
針對(duì)這一痛點(diǎn)。2020年11月，在一次課題組討論會(huì)上，導(dǎo)師劉志遠(yuǎn)提出：“如果能開發(fā)一種非常細(xì)、非常軟、還能運(yùn)動(dòng)的多通道纖維電極，或許能從根本上突破當(dāng)前植入式電極領(lǐng)域的瓶頸。”
然而，想要實(shí)現(xiàn)植入式電極的“動(dòng)態(tài)操控”并非易事，當(dāng)前國(guó)際上并無先例。“開展這方面的研究涉及材料、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理等多學(xué)科，研究周期長(zhǎng)、門檻極高。”論文共同通訊作者劉志遠(yuǎn)說道，但深圳先進(jìn)院長(zhǎng)期以來鼓勵(lì)跨學(xué)科合作，為這一創(chuàng)新想法提供了土壤。
當(dāng)時(shí)，深圳先進(jìn)院集成所研究員徐天添團(tuán)隊(duì)在微型機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)，擅長(zhǎng)通過磁控運(yùn)動(dòng)技術(shù)使微小物體在體內(nèi)移動(dòng)。劉志遠(yuǎn)把研究想法與徐天添交流之后，雙方一拍即合，決定合作開展研究。
研究的關(guān)鍵在“卷”
在研究初期，團(tuán)隊(duì)遇到的第一個(gè)難題，便是如何在單根柔性纖維電極上實(shí)現(xiàn)多通道集成。
傳統(tǒng)電極受限于通道數(shù)量不足，往往導(dǎo)致信號(hào)采集精度低、數(shù)據(jù)可靠性差；而盲目增加通道數(shù)，又會(huì)造成電極尺寸過大，加劇生物組織損傷。如何在極細(xì)的柔性電極上實(shí)現(xiàn)高密度通道集成，成為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。
“如果你來看我們操作，可能根本找不到電極在哪，甚至需要借助放大鏡。”論文第一作者謝瑞杰笑著描述道。電極的制備過程看似簡(jiǎn)單，卻極度考驗(yàn)?zāi)托呐c精細(xì)度。
研究團(tuán)隊(duì)首先要在經(jīng)過處理的硅片上，旋涂制備厚度僅數(shù)百納米的柔性薄膜，利用微納加工工藝，在薄膜上加工精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)電線路，再將其在水中溶解轉(zhuǎn)移，固定于聚四氟乙烯基板上。最關(guān)鍵的步驟，是將整張薄膜一點(diǎn)一點(diǎn)卷繞成直徑如發(fā)絲般纖細(xì)的纖維電極。這一過程的每次實(shí)驗(yàn)都像在“納米繡花”。
團(tuán)隊(duì)從4通道和10通道起步，逐步突破20、40，最終實(shí)現(xiàn)60通道的高密度集成。“整個(gè)過程必須極度緩慢和謹(jǐn)慎，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都意味著前功盡棄，必須從頭再來。”韓飛補(bǔ)充道。
韓飛。受訪者供圖
除集成工藝外，另一大挑戰(zhàn)在于如何讓電極在生物組織中“動(dòng)起來”。論文共同第一作者、負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制研究的助理研究員李冬回憶：“我們最初嘗試在肌肉組織中驅(qū)動(dòng)電極，但因其模量過大難以實(shí)現(xiàn)。后來將目光轉(zhuǎn)向大腦皮層及皮下區(qū)域，這些部位阻力小、組織更柔軟，更適合柔性電極實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng)。”
通過外部磁場(chǎng)精準(zhǔn)調(diào)控，這支超細(xì)纖維電極能夠在大腦皮層及皮下組織中自主定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)原位、穩(wěn)定、高質(zhì)量的生物電信號(hào)記錄，并動(dòng)態(tài)切換監(jiān)測(cè)靶區(qū)。研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，電極植入大鼠腿部肌肉13個(gè)月后，電極周圍形成的纖維包裹層平均厚度不足23微米，細(xì)胞凋亡率與正常組織無顯著差異，展現(xiàn)出卓越的長(zhǎng)期生物相容性。相比之下，傳統(tǒng)不銹鋼絲電極在相同條件下包裹層厚度超過451微米，并伴隨顯著的細(xì)胞凋亡反應(yīng)。
“以往從未有團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)電極在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。我們突破了傳統(tǒng)靜態(tài)植入電極的局限，首次完成從‘靜態(tài)’到‘動(dòng)態(tài)’的跨越，這不僅指明了下一代植入式電極的發(fā)展方向，也為腦機(jī)接口技術(shù)開辟了全新的道路。”劉志遠(yuǎn)總結(jié)道。
“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒有好壞”
在復(fù)旦大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，韓飛一直保持著一個(gè)良好的學(xué)術(shù)習(xí)慣：一有空閑，他就主動(dòng)拜訪校內(nèi)不同團(tuán)隊(duì)的柔性電子領(lǐng)域?qū)＜遥芮嘘P(guān)注學(xué)術(shù)界的最新動(dòng)態(tài)。
正是保持這種積極主動(dòng)、熱衷交流的科研態(tài)度，在2019年來到深圳先進(jìn)院聯(lián)培后，他主動(dòng)找到剛剛回國(guó)組建團(tuán)隊(duì)的劉志遠(yuǎn)，并自薦加入團(tuán)隊(duì)，成為最早加入團(tuán)隊(duì)的成員之一。
韓飛回憶，他印象最深刻的就是導(dǎo)師劉志遠(yuǎn)常常和他說的，“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒有好壞”。在他看來，許多突破性發(fā)現(xiàn)恰恰來自于那些看似“不理想”甚至“失敗”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“假如一切結(jié)果都在預(yù)料之中，那創(chuàng)新又從何而來？正是這些意外，讓我們有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)新機(jī)制、開辟新路徑。”
該研究在投稿過程中并非一帆風(fēng)順。論文最初投往Science和Nature時(shí)均遭拒稿。Nature審稿人一致認(rèn)為，盡管該工作創(chuàng)新性突出，但在生物體內(nèi)的驗(yàn)證仍不夠充分、缺乏足夠說服力。
面對(duì)這些意見，研究團(tuán)隊(duì)并沒有氣餒，而是迅速響應(yīng)，用超過半年的時(shí)間系統(tǒng)性開展了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，回應(yīng)審稿人意見。他們?cè)诖笫蠛屯米芋w內(nèi)長(zhǎng)期植入電極，持續(xù)觀察信號(hào)質(zhì)量與動(dòng)物的健康狀況。“每一個(gè)電極的植入，對(duì)手術(shù)操作和團(tuán)隊(duì)成員配合都提出了很高的要求，那段時(shí)間我們幾乎以動(dòng)物為中心轉(zhuǎn)，生怕動(dòng)物在電極植入后把電極抓掉或咬壞。”論文共同第一作者、負(fù)責(zé)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的科研助理余潛衡遠(yuǎn)回憶道。
共同通訊作者劉志遠(yuǎn)（右一）、徐天添（左一）、韓飛（右二），共同第一作者謝瑞杰（左三）、韓飛、余潛衡遠(yuǎn)（右三）、李冬（左二）。受訪者供圖
在韓飛看來，這項(xiàng)研究的成功極大得益于跨學(xué)科深度合作。從電極制備、動(dòng)物手術(shù)、信號(hào)采集到磁控驅(qū)動(dòng)，每次實(shí)驗(yàn)都需三至四名不同專業(yè)背景的研究人員同時(shí)配合。“學(xué)電子器件的人未必熟悉動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的人也可能不太了解器件設(shè)計(jì)，唯有不斷溝通、互相學(xué)習(xí)，才能真正推動(dòng)復(fù)雜系統(tǒng)的創(chuàng)新。”
“科研最吸引我的一點(diǎn)，就是每天都能接觸到全新的事物，”韓飛說，“你永遠(yuǎn)無法預(yù)知下一次實(shí)驗(yàn)將帶來什么，可能是挫折，也可能是突破。但無論如何，我們都在向前推進(jìn)。”
未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于動(dòng)態(tài)柔性電極與活性電極的深度融合研究，不斷優(yōu)化工藝路徑，拓展該類技術(shù)在神經(jīng)疾病治療與腦機(jī)接口等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w
本文鏈接：共一兼通訊，90后學(xué)者用5年“卷”出一篇重磅成果http://www.sq15.cn/show-11-26295-0.html
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