尽管每个人的大脑结构独一无二，但目前大多数神经植入物仍采用“一刀切”的设计。宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种突破性的3D打印方法，能够定制柔软、可伸缩的生物电极，使其与个体大脑特有的脑回（gyri）和脑沟（sulci）结构完美匹配。这些基于水凝胶的传感器不仅能提供近乎完美的连接和更高质量的信号，同时不会损伤敏感的脑组织或干扰脑液传输。

这项由宾夕法尼亚州立大学研究人员主导的新研究指出，专为个体大脑表面量身定制的柔性电极，有望显著推动神经接口技术在神经退行性疾病监测和治疗领域的发展。

神经接口的核心是能够追踪生物物理信号的微型传感器，即生物电极。然而，传统的生物电极通常由硬质材料制成，并采用“一刀切”的设计，难以与大脑复杂且高度个性化的结构完美贴合。针对这一挑战，研究团队开创了一种新颖的3D打印方法，能够制造出具有伸缩和变形能力的生物电极，以适应每个大脑细微而独特的结构差异。

研究团队首先利用软件，基于21名人类患者的MRI扫描数据，模拟出详细的大脑结构。随后，他们根据这些特定的大脑结构设计并定制了一套电极，并利用3D打印技术制造出电极和大脑模型。发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上的一篇论文中，研究人员报告称，与传统设计相比，他们开发的电极能更好地贴合大脑结构，并且在对大鼠进行的测试中，表现出卓越的有效性和生物相容性。

人类大脑的褶皱是通过“脑回形成”（gyrification）过程产生的，即大脑外壁的皮质层折叠成隆起的“脑回”（gyri）和凹陷的“脑沟”（sulci）。这种结构有助于大脑细胞之间进行高速通信，并使一个相对较大的器官能够紧凑地容纳在颅骨内——如果将一个成年人的大脑完全展开，其表面积将达到约2000平方厘米，相当于两张大号披萨的大小。

该论文的通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系助理教授（Wormley Family Early Career Professor）陶舟（Tao Zhou）指出，尽管主要的大脑皮层褶皱在个体间保持一致，但脑回和脑沟的精确布局却因人而异。然而，传统的生物电极设计并未考虑到这一点。陶舟教授表示：“每个人的大脑结构都不同，这取决于他们的身高、体重、年龄、性别等多种因素。尽管如此，我们却试图将神经接口安装到大脑上，仿佛它们拥有相同的结构。这促使我们开发出能够根据个体大脑结构量身定制的电极。”

这些电极主要由富含水分的水凝胶材料制成，以更好地匹配大脑的软组织和患者特有的几何结构。此外，陶舟教授介绍，研究团队采用了一种新颖的蜂窝状结构设计，这种结构不仅提供了卓越的柔韧性和强度，同时还保持了成本效益和快速打印的优势。陶舟教授解释说：“蜂窝结构显著降低了电极的硬度，同时没有牺牲其机械强度。更重要的是，这种结构有助于减少制造过程中使用的总材料量，从而缩短生产时间、降低成本并减少对环境的影响。”

生产过程始于对患者大脑进行MRI扫描，随后利用这些数据进行有限元分析（finite element analysis），从而创建出个体神经结构的详细模拟。接着，分析结果被渲染成患者大脑的3D模型，研究团队利用计算机软件定制出能够精确贴合大脑皮层沟回的生物电极。成型后，团队使用直接墨水打印（direct ink printing）技术3D打印水凝胶电极。这种技术能够制造出在相对较小表面上监测和传输脑信号的电极。在这项研究中，团队3D打印了21个不同参与者的大脑模型，并将他们开发的电极应用到这些模型上，物理测量了电极与大脑表面的贴合精确度。

陶舟教授解释说，传统的制造方法需要无尘室等专业设施，使得定制成本极高。而3D打印技术则允许团队以更低的成本、更快的速度实现电极的个性化定制和生产。

与传统方法相比，这种基于水凝胶的电极能更精确地贴合大脑结构。陶舟教授表示，他们的技术生产的电极与大脑中存在的电信号之间展现出近乎完美的连接性。此外，由于这种可伸缩凝胶具有极强的可塑性，它可以应用于柔软的脑组织而不会造成损伤，这与可能损伤组织的硬质传统电极材料形成鲜明对比。陶舟教授指出，电极的柔软性使其能够与大脑建立更紧密、更稳定的接触，从而实现更高质量、更可靠的监测。更重要的是，采用这种方法制造的生物电极不会影响大脑周围的液体传输——这是大脑功能的一个关键方面，而许多传统电极会对此造成干扰。

为了进一步验证电极的性能，研究团队将它们植入大鼠大脑中，并进行了为期28天的观察。陶舟教授表示，大鼠对这些打印的电极未表现出任何免疫反应，这在生物设备开发中是一个关键的考量。此外，电极的性能也未出现退化，同时能够提供大脑电生理信号的灵敏而准确的读数。

陶舟教授认为，这种打印方法可以为针对特定患者定制生物电极的商业化生产提供一个框架。尽管这些系统传统上用于监测神经活动，但研究团队计划探索个性化电极如何为神经系统疾病的治疗做出贡献。陶舟教授表示：“我们正在寻求进一步改进这项技术，以优化电极来监测特定疾病。未来，我们非常希望与患者合作，了解这种方法如何在临床环境中支持大脑监测和疾病治疗。”

宾夕法尼亚州立大学的其他共同作者包括生物医学工程教授兼Dorothy Foehr Huck and J. Lloyd Huck脑成像讲席教授Nanyin Zhang；工程科学与力学及生物医学工程教授Sulin Zhang；工程科学与力学博士生Marzia Momin、Luyi Feng、Salahuddin Ahmed和Jiashu Ren；生物医学工程博士生Xiaoai Chen、Hyunjin Lee和博士后学者Samuel R. Cramer；机械工程博士生Xinyi Wang；研究时为物理学本科生，现为密歇根州立大学物理学博士生的Basma AlMahood；以及研究助理Li-Pang Huang。本研究得到了美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）和美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的资助。