摘要神經接口技術正通過仿生策略革新生物電子界面設計，致力于提升設備與組織的兼容性與功能性。當前研究聚焦于將柔性材料與組織工程結合，在設備表面構建具有生物活性或含活細胞的動態界面層，以此促進生物組織的無縫整合并解鎖細胞調控的治療潛力。本文系統梳理了仿生電子學領域的最新進展，涵蓋三大創新方向：1）類組織柔性生物材料的開發；2）表面生物活性功能化涂層的優化；3）生物雜交界面（含生物組分）與全生命界面（含活體細胞）的構建。通過厘清關鍵術語體系，重點解析了生物活性成分在縮小實驗室成果與臨床應用鴻溝中的核心作用，為下一代可實現長期穩定整合、具備生物響應能力的智能神經接口指明發展方向。


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神經電子學的快速發展正重塑疾病診療體系，通過侵入式與可穿戴技術實現對生理功能的精準監測與調控。

技術應用雙路徑：非侵入式技術（如頭皮腦電圖EEG）憑借低成本、安全性成為癲癇、帕金森等神經疾病的核心診斷工具，但受限于低頻信號采集；侵入式技術（如腦機接口BCI、深部腦刺激DBS）則突破空間限制，支持高帶寬記錄深部腦區活動，推動運動恢復、假肢控制等突破性治療。

歷史與臨床轉化：自1998年首例人類植入試驗至BrainGate猶他電極陣列應用，數十年間植入設備已衍生出ECoG癲癇監測、閉環感覺運動接口等多元場景，并加速向臨床轉化。挑戰與未來方向：盡管技術革新顯著，電子器件與生物組織間的物性差異仍制約植入體功能與壽命。當前研究聚焦三大仿生策略——類組織柔性電子、生物活性界面工程及生物雜交/全生命系統集成（見圖1），旨在實現植入體與宿主組織在結構與功能上的無縫融合，突破現有技術瓶頸。

仿生神經接口和電子學通過優化設計與材料選擇模擬目標組織的物理特性，實現靜態結構整合以降低炎癥反應和異物排斥（FBR），同時最小化植入物微動引起的機械應變，并適配組織的形態與生化特性。其設計策略可分為幾何優化（如超薄金屬/半導體結構降低抗彎剛度、三維網格與開放界面增強組織整合、蛇形結構提升可拉伸性）和材料創新（包括柔性聚合物、水凝膠、低密度納米材料及納米復合材料）兩大類。經過長期臨床前驗證，基于微電極的仿生神經接口技術已進入商業化臨床階段，典型代表包括Synchron的支架電極、Neuralink的柔性導線以及Precision Neuroscience的薄膜微皮層電圖網格，此外還有更多類似系統處于臨床試驗推進過程中。


將組織工程與生物電子學結合，通過構建集成宿主細胞的生物平臺可顯著提升神經界面的生物相容性與長期整合性。早期生物混合策略聚焦于活細胞與電子器件的直接結合，例如1988年采用中空玻璃錐包裹金線并嵌入坐骨神經片段的“錐形電極”，其通過促進神經突起長入電極實現長達15個月的穩定記錄，且后續人體臨床試驗顯示植入13年后電極尖端仍存在神經生長而無膠質瘢痕，證明細胞整合系統的優越性遠超單純生物分子涂層。2002年開發的“篩電極”首次將軸突生長容器與微電極結合，利用生物混合裝置中的軸突作為電極與肌肉間的信號中繼，實現了周圍神經損傷后肌肉控制的恢復。近年來，該領域進一步拓展為兩大方向：一是通過細胞外基質（ECM）衍生生物分子修飾電極以增強細胞黏附，二是構建功能性載細胞水凝膠支架，例如在導電聚合物纖維表面直接培養神經元并覆蓋瓊脂糖層固定網絡，形成機械順應性電極陣列；或在柔性微電極陣列上鋪展工程化軸突束，嵌入瓊脂糖基質后植入神經導管，實驗顯示植入體內2周即可誘導宿主軸突再生與血管化，為神經修復提供新路徑。

術語“活體電子和接口”指完全由生物衍生材料與活細胞組成的系統，與生物混合設備不同，活細胞不僅提供生物界面層還充當設備內有源輸入/輸出端子，植入物與宿主組織間信息交換主要由活細胞記錄、轉導和調節，利用此方法可開發用于中樞及外周神經系統等體內電活性組織雙向通信的所有活體電極，基本原理是用神經元軸突替代其他導電材料作信號傳感器，將神經元和軸突束包裹引導于水凝膠微柱中，可生物制造準備植入的活體組織工程醫療產品。


總結與展望


近年來，活體電極的概念在神經系統疾病治療中得到了廣泛應用，其中微組織工程神經網絡（μTENNs）作為一種仿生長距離神經元通路的制造方法，自十年前首次引入以來，逐漸成為研究熱點。μTENNs由一個水凝膠微柱構成，微柱上接種的神經元群體通過微柱內腔生長出長突軸突，形成基于軸突的活電極，作為與神經系統通信的平臺技術，用于恢復損傷或神經變性后失去的功能。盡管大多數研究集中在單個μTENNs的應用，但通過嵌套μTENNs，還可以構建3D多細胞生物電路。例如，背根神經節感覺神經元（DRG-SN）的雙向軸突生長能夠支配皮質神經元和心肌細胞，展示了全生物神經調節生物回路的可行性。此外，鈣熒光成像技術被用于評估3D組織工程軸突束的功能連接，進一步凸顯了這些結構作為神經研究生理相關體外平臺的潛力。