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  神經(jīng)調(diào)控技術(shù)作為干預(yù)運(yùn)動(dòng)功能障礙、情感障礙及認(rèn)知缺陷的重要治療手段，其核心機(jī)制在于通過(guò)雙向調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性與抑制性活動(dòng)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路的功能重塑。現(xiàn)行神經(jīng)調(diào)控范式主要基于電刺激或電化學(xué)刺激原理，通常依賴植入式金屬電極的單向直流電刺激模式。然而，此類傳統(tǒng)方法存在以下關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸：首先，剛性金屬探針作為長(zhǎng)期植入裝置易引發(fā)宿主炎癥反應(yīng)和機(jī)械性組織損傷；其次，持續(xù)性直流電刺激可能引發(fā)電荷沉積效應(yīng)及焦耳熱現(xiàn)象，誘發(fā)神經(jīng)組織不可逆性損傷；再者，刺激模式局限于單向調(diào)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路的動(dòng)態(tài)雙向調(diào)控。基于此，研發(fā)具備優(yōu)異生物相容性、雙向動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性及低組織損傷風(fēng)險(xiǎn)的新型神經(jīng)調(diào)控技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的迫切需求。

  北京理工大學(xué)柔性電子集成與智造研究所沈國(guó)震教授團(tuán)隊(duì)基于材料-器件-生物界面協(xié)同優(yōu)化策略，成功構(gòu)建了可植入式無(wú)線水凝膠超級(jí)電容器神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。該創(chuàng)新性系統(tǒng)通過(guò)超級(jí)電容器陣列的能量存儲(chǔ)模塊、諧振耦合無(wú)線供能模塊、二極管橋式整流電路與水凝膠電解質(zhì)基質(zhì)的協(xié)同整合，建立了基于具有振蕩行為的離子擴(kuò)散電流的雙向神經(jīng)調(diào)控新機(jī)制。區(qū)別于傳統(tǒng)法拉第電流作用模式，該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)控電荷儲(chǔ)存/釋放動(dòng)力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)興奮性與抑制性刺激模式的切換，在消除熱損傷風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)保持穩(wěn)定的電化學(xué)界面。活體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)控電場(chǎng)方向策略可實(shí)現(xiàn)特定腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的精準(zhǔn)調(diào)控，其間歇性振蕩電流模式有效規(guī)避了直流刺激的電荷沉積問(wèn)題。該技術(shù)為帕金森病（基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路調(diào)控）、抑郁癥（前額葉皮層-邊緣系統(tǒng)神經(jīng)調(diào)制）及阿爾茨海默病（海馬區(qū)突觸可塑性調(diào)控）等嚴(yán)重神經(jīng)性疾病提供了創(chuàng)新平臺(tái)，在神經(jīng)工程領(lǐng)域注入了可植入器件生物界面優(yōu)化與閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)集成的豐富潛力。

圖1. 無(wú)線超級(jí)電容激活神經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)（W-SCAN）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2. W-SCAN中超級(jí)電容模塊的工藝開(kāi)發(fā)

圖3. 探索基于水凝膠聚合工藝的功能化電極的卓越電化學(xué)特性

圖4. W-SCAN的無(wú)線功率傳輸行為

圖5. W-SCAN作為顱內(nèi)靶向離子電刺激介質(zhì)的應(yīng)用

  工作近期以“An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation” 為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Materials》上，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院柔性電子集成與智造研究所沈國(guó)震教授、李臘副教授聯(lián)合湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)納米材料與器件湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許建雄教授為該文章的共同通訊作者，文章共同第一作者是湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院碩士研究生盛翔宇和北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院博士研究生杜直建。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委和北京理工大學(xué)科研創(chuàng)新基金委的支持。

  課題組鏈接：https://www.x-mol.com/groups/iFlex

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202504558