近日，Microsystems & Nanoengineering期刊报道了一种名为“脑膜”的新型皮层电极，通过多次干湿转换加工过程，将各自分离的多通道parylene-C电极精准定位集成在细菌纤维素膜上。相比于传统聚合物薄膜或硅胶基底，超柔性细菌纤维素基底提供了更优异的复杂曲面保形能力，实现与脑组织的紧密可靠接触。细菌纤维素膜独特的保湿性能够防止脑脊液蒸发，并保证急性和长时体内采集高质量脑电信号。
植入式神经电极具有电生理记录和/或神经刺激、调节等功能，为神经科学基础研究、神经系统疾病诊断和治疗的临床应用提供了重要工具。一方面，对于慢性ECoG电极，持续的微动如血流、呼吸、运动和颅内压的变化，将导致电极和脑组织之间发生相对位移，同时电极与大脑之间的机械不匹配容易引起异物反应，从而进一步降低信号质量，阻碍长期稳定使用。因此，与软脑组织密切接触的电极应处于较软的物理状态。另一方面，在电极植入过程中，传统由硅酮或聚合物衬底制备的皮层电极与脑组织的接触界面，会随着脑脊液的蒸发和流失而逐渐干燥，导致信号质量下降。同时，由于失去了脑脊液对硬膜下大脑皮层的持续润湿，电极可能会粘黏在皮层组织表面，容易受到外力的影响（如牵拉电极排线末端），导致电极损伤或组织出血。因此，适形性和保湿性是ECoG电极的两个关键问题。
目前，市面上大多数ECoG电极是由硅酮和铂铱合金组成的宏电极。电极厚度相对较大，导致贴附大脑沟回效果不佳。作为潜在的替代品，聚酰亚胺、聚对二甲苯或SU-8等聚合物材料制成的薄膜微电极厚度更薄，具有更高的通道数和分辨率，但机械强度往往较差，且尚未有产品被批准用于临床。
如何进一步降低微电极的机械刚度是一个重要的研究方向。一种方法是通过结构设计来提高电极本身的变形适应性，如采用网状、条带状等分形离散结构。另一种方法是使用本征软材料，具有与柔软神经组织相似的力学性能，但加工精度差和空间分辨率低限制了其应用。
另一个容易被忽视的问题是电极的保湿特性。在大多数研究中，ECoG电极被用于急性实验，以验证体内功能和定位局灶性癫痫灶。术中开颅切除硬脑膜，暴露靶点脑区，并使用人工脑脊液保持湿润、止血，保持视力清晰。有研究使用水凝胶，虽具有一定的保湿能力，但其加工精度仍然难以满足精细电极结构需求。
作者首次提出了一种由细菌纤维素基底、离散的蛇形导线结构的parylene-C绝缘层与封装层，以及夹在之间的蛇形金属层组成的皮层微电极。这种结构充分发挥了细菌纤维素膜的超柔软性和高保湿性，保证了电极与大脑的紧密接触并维持水分。因为它类似于商用面膜，所以将其命名为“脑膜”。防水且具有生物相容性的蛇形parylene-C微电极，通过渗入微孔的超柔性硅胶与细菌纤维素膜实现稳定可靠的粘合界面。这种“脑膜”不仅可以保证微电极位点的准确定位，还可以提高在颅窗暴露的急性植入期间连续高质量信号采集，以及时长超过1周的在体记录。
该创新方案有效解决了目前两个关键问题，即皮层脑电采集电极的适形性和保湿性。作者之一西北工业大学吉博文副教授表示，这种新颖的脑膜电极有望取代常用的聚酰亚胺或聚对二甲苯柔性电极，为急性和长期在体神经信号采集提供了一种极为稳定可靠的界面工具，并能够进一步扩展应用于脊髓、外周神经、皮肤表面等获取高质量电生理信号。
论文的共同第一作者为西北工业大学无人系统技术研究院吉博文副教授，无人系统技术研究院硕士研究生孙凡淇，医学研究院博士研究生郭杰承；杭州电子科技大学王明浩副研究员，西北工业大学扈慧静副教授、常洪龙教授为共同通讯作者。
论文信息：
Ji, B., Sun, F., Guo, J. et al. Brainmask: an ultrasoft and moist micro-electrocorticography electrode for accurate positioning and long-lasting recordings. Microsyst Nanoeng 9, 126 (2023).
DOI链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00597-x
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