脑机接口关键技术柔性电极引领潮流:突破硬质难题,开启创新时代

斜阳云飘 2023-11-10 01:57:45

随着科技的不断发展,脑机接口技术逐渐成为引人注目的研究领域。在这场技术革新的竞赛中,柔性电极正成为备受关注的关键因素。不仅受到研发团队和公司的瞩目,资本市场也对“柔性电极”予以高度青睐。

硬质电极的“硬伤”

回顾植入式电极技术的历史,美国公司Blackrock多年前就以硬质犹他电极进行人体临床试验。但是这种硬质电极在应对人脑柔软组织的挑战时显得力不从心。大脑宛如豆腐,硬质电极植入后就像一排排钢针插入豆腐,导致电极移位、免疫反应剧烈等问题。中国科学院深圳先进院形象地解释说,这就像把针板扎入豆腐中,再抠出来时会翻烂这块豆腐,取出电极会在大脑皮层上留下缺口,给皮层组织带来不可逆的损伤。

柔性电极的崛起

为了解决硬质电极的困境,新型电极技术应运而生。微型化、柔性化、高通量成为研发团队和公司追逐的方向,同时也备受资本市场的青睐。传统电极采集的是场电位信号或皮层脑电信号,而新型高通量神经电极专注于采集spikes信号,即单个神经元释放的高频脉冲电信号。这种信号的提升不仅在质与量上升级,还可能引领脑科学研究范式的变革。

创新公司的探索

在国内,一些创新公司和学术带头人积极探索“高通量柔性电极”。脑虎科技由陶虎和彭雷共同创立,推出了采用新材料蚕丝蛋白与MEMS电极结合的多模态电极。通过在MEMS柔性电极外包裹蚕丝蛋白,该公司成功增加了电极植入时的刚性,而植入后蚕丝蛋白的降解使电极恢复柔性,从而无需大创口开颅,减小植入创伤。脑虎科技同时还在钨丝电极研发及植入方面有着出色的能力,能够从多个技术路线切入脑机接口系统。

阶梯医疗由赵郑拓和李雪两位学者联合创立,采用新工艺,在电极本身柔性很难进一步降低的情况下,通过降低电极厚度降低弯曲应力。微纳加工工艺使电极尺寸做到细胞尺寸,即一根头发丝的1/300—1/200,使得超柔性电极的弯曲应力达到了细胞和细胞间作用力的量级。

微灵医疗由李骁健创立,推出高密度网状超柔顺神经电极阵列,基于MEMS工艺,用微米级超薄结构和复合纳米技术,提高神经相容性和导电性。通过贴附在脑皮层表面,该公司的电极能够获得高时空精度的神经信号,同时避免了刺入电极引起的脑损伤。

哈佛大学工程和应用科学学院助理教授Jia Liu(刘嘉)创建的Axoft研发了柔性、亚细胞尺度的三维大孔纳米电子器件。通过人工合成高分子组织支架,利用光刻技术在组织界面集成了大量电极,并保持器件与神经元组织同样的柔软度。早在2015年,这种柔性材料就验证了其能够解决脑机接口电极不稳定、易引发免疫反应等限制,为领域带来了一场革命。

柔性电极的研发困境与前景展望

在脑机接口领域,柔性电极成为当前研发的突出问题。虽然硅基硬质电极仍具有在神经科研中采集高通量神经信号的一定优势,但为了提高植入人体后的使用寿命,团队们开始积极探索柔性电极的新材料与新工艺。

国内的学术带头人主要来自中国科学院、北京大学、清华大学等知名院所。这些团队陆续获得资本的支持,不仅推动了科研的深入,还催生了一批创业公司。这种联合创新的模式为柔性电极的研发提供了更为广阔的平台,也有望将科研成果更快地转化为实际应用。

电极技术推动脑机接口技术的产业化

脑机接口技术的产业化不仅仅依赖于柔性电极技术的突破。除了电极本身的技术能力,配套的系统和元器件集成同样至关重要。从局部场电位信号采集到神经元spikes信号的升级,整个脑机接口系统都在不断演进。

以前的浙二医院的案例中,患者通过植入犹他电极脑机接口实现了吃油条、喝可乐等惊人的功能。不过高昂的开销和需要整个机柜的信号解码设备限制了该技术的广泛应用。为了更广泛地应用脑机接口技术,创新公司们正在努力重新定义产品形态,探索更为高效、轻便、便携的系统,以满足不同患者的需求。

老斜说

在侵入式脑机接口赛道,柔性电极的崛起不仅是技术革新的标志,也是对传统硬质电极的一次挑战。随着创新公司和学术研究的不断深入,我们有理由相信柔性电极将成为推动脑机接口技术发展的引擎,开启一个新的纪元。

这一新时代或许将为患有神经系统疾病的患者带来更多希望,让脑机接口技术真正融入人们的日常生活。

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斜阳云飘

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