中国医疗科技行业调研简报：2025年全球及中国脑机接口电极行业跟踪：柔性微电极植入，脑机接口行业将面临怎样突破？

中心思想

柔性电极技术正从材料革新走向系统集成，驱动脑机接口从实验室向临床应用跨越

• 核心技术突破聚焦力学匹配与信号稳定性：报告指出，传统刚性电极与脑组织间高达6个数量级的模量差异是导致植入后慢性炎症与信号衰减的根本原因。通过采用聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等超柔性基底材料及复合界面改性（如还原氧化石墨烯与PEDOT:PSS），电极弯曲强度显著低于硅基电极，可有效降低微动损伤，实现128通道电极在小鼠脑内三周以上的稳定信号采集。
• 高密度化与长期可靠性成为产业化瓶颈：商用电极（如Utah阵列100-128通道）与最新试验级电极（如Argo电极65,536通道）之间存在数量级差距，且柔性电极的封装材料寿命差异悬殊（从SU-8的30天到LCP的7.6-10年）。报告强调，在持续电刺激下的材料腐蚀、多层互连可靠性以及大规模通道下的功耗控制，是当前商业化应用面临的最终壁垒。
• 临床转化需求倒逼制造工艺与评估体系升级：柔性电极在长期生理监测、动态环境信号采集及医学影像兼容性场景中展现出刚性器件无法替代的优势，但其制造过程中光刻、蚀刻工艺引入的微裂纹以及体液渗透导致的绝缘层退化，仍需通过等离子体表面改性、生物可降解临时包层等技术创新加以突破。

主要内容

Q1：脑机接口柔性电极有哪些分类？

颅内电极：侵入式与半侵入式

• 侵入式电极直接穿透软脑组织，实现单神经元级电压信号记录，精度最高但植入风险（感染、出血、信号衰减）显著。
• 半侵入式电极（ECoG） 置于大脑皮层硬膜外/下表面，空间分辨率更高，接触面积更大，生物反应与感染风险相对较低。

颅外电极：干电极、半干电极与湿电极

• 干电极无需电解质，操作简便舒适，但动态信号稳定性待提升。
• 半干电极通过持续释放电解质降低接触阻抗，兼顾信号质量与用户友好性。
• 湿电极使用凝胶/盐水介质，信噪比高且动态监测表现优异，但设置繁琐、长期使用易致皮肤刺激。

Q2：柔性电极的工作原理是怎样的？主要应用在哪些场景中？

工作原理：多层复合结构实现高效生物电信号采集

• 核心构造包括柔性聚合物基底（如PI、PDMS）、金属导电层、导电粘合剂层及绝缘封装层。
• 设计要求超薄化、低模量及高延展性，以贴合复杂生物曲面并适应长期穿戴。

应用场景：动态生理监测与临床兼容性

• 长期生理信号监测：连续数日至数周监测心电、脑电、肌电，降低皮肤炎症与压疮风险。
• 动态环境信号采集：抗疲劳特性抑制运动伪影，适用于康复医学与运动生理学动态评估。
• 医学影像兼容性：X射线可穿透基底材料允许电极贴附状态下直接进行影像学检查。

Q3：植入式柔性微电极当前发展趋势如何？

高密度化：通道密度指数级提升

• 商用电极通道数（Utah阵列100-128，Michigan单根<64）与最新试验级电极（Argo 65,536，Neuropixels2.0单根1,280）差距达2-3个数量级。
• 三维网状电极结构优化空间利用率，材料微型化支撑更高密度集成。

超柔性化：力学匹配性突破

• PDMS、水凝胶等材料实现模量与脑组织适配（相差<6个数量级），减少胶质瘢痕。
• 当前已实现电极厚度150μm、延展性超10倍，但水凝胶导电稳定性与PDMS图形化精度仍需突破。

长期可靠性：封装材料与界面设计

• 深部植入易引发胶质瘢痕与机械错配，通过等离子体表面改性、无机封装及生物可降解临时包层提升寿命。
• 不同封装材料预计工作寿命差异显著：PDMS 5.5年、LCP 7.6-10年、PaC 1.64年，SU-8仅30天。

Q4：人体电化学信号监测当前面临哪些卡点？

传统刚性电极的机械失配问题

• 弹性模量与脑组织差异超6个数量级，动态生理环境（呼吸、血流搏动）导致剪切应力，引发神经元损伤、血管微撕裂及胶质瘢痕形成。
• 界面阻抗指数级上升，有效记录位点被纤维化组织包裹，信号幅值衰减，单单元动作电位分辨能力丧失。

柔性电子器件的临床转化瓶颈

• 制造工艺：聚合物基底的微纳加工需平衡热膨胀系数差异与多层界面结合强度，光刻蚀刻易引入微裂纹或分层缺陷。
• 长期稳定性：水氧渗透引发导体层电化学腐蚀或溶胀失效，离子渗透加速绝缘层介电退化。
• 高密度集成：微型化电极位点电荷注入容量与低阻抗需求矛盾，三维堆叠或共形封装尚未突破多层互连可靠性瓶颈。

Q5：超柔性微电极针对卡点的研发突破进展如何？

超薄柔性电极实现脑机力学适配

• 中科院上海微系统所团队开发基于聚酰亚胺基底的超薄柔性电极，弯曲强度显著低于硅基电极，减少微动损伤与慢性炎症。
• 通过表面电镀还原氧化石墨烯与PEDOT:PSS复合材料，增强电气与电化学性能，提升灵敏度与生物环境稳定性。

复合界面优化提升长期信号稳定性

• 在小鼠脑内植入128通道柔性电极，三周内表现出良好信号稳定性，电极阻抗在初期炎症反应后逐渐下降并趋于稳定。
• 复合材料改性有效降低界面阻抗，确保长期电生理与电化学信号监测的稳定性和准确性。

总结

报告围绕脑机接口柔性电极技术，系统梳理了从电极分类、工作原理到临床转化卡点及最新研发突破的全链条技术图谱。核心结论包括：

• 分类体系清晰：颅内侵入式、半侵入式与颅外干/半干/湿电极各具适用场景，当前研究重点聚焦于超柔性、高密度与长期可靠性三大方向。
• 技术突破显著但产业化任重道远：超薄PI基底与复合界面改性已在小鼠模型中实现三周稳定监测，但封装材料寿命（30天至10年不等）与大规模通道信号处理仍是商业化核心障碍。
• 临床需求驱动工艺创新：长期监测、动态采集与医学影像兼容场景倒逼柔性电极在制造精度、抗腐蚀性及高密度集成方面持续迭代，头豹研究院建议重点关注材料微纳加工与多层互连可靠性的协同突破。