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  神經(jīng)調(diào)控技術(shù)作為干預(yù)運動功能障礙、情感障礙及認知缺陷的重要治療手段，其核心機制在于通過雙向調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性與抑制性活動實現(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期植入裝置易引發(fā)宿主炎癥反應(yīng)和機械性組織損傷；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)，難以實現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路的動態(tài)雙向調(diào)控。基于此，研發(fā)具備優(yōu)異生物相容性、雙向動態(tài)調(diào)節(jié)特性及低組織損傷風(fēng)險的新型神經(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震教授團隊基于材料-器件-生物界面協(xié)同優(yōu)化策略，成功構(gòu)建了可植入式無線水凝膠超級電容器神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。該創(chuàng)新性系統(tǒng)通過超級電容器陣列的能量存儲模塊、諧振耦合無線供能模塊、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散電流的雙向神經(jīng)調(diào)控新機制。區(qū)別于傳統(tǒng)法拉第電流作用模式，該系統(tǒng)通過調(diào)控電荷儲存/釋放動力學(xué)特性實現(xiàn)興奮性與抑制性刺激模式的切換，在消除熱損傷風(fēng)險的同時保持穩(wěn)定的電化學(xué)界面。活體實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)通過調(diào)控電場方向策略可實現(xiàn)特定腦區(qū)神經(jīng)活動的精準(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）等嚴重神經(jīng)性疾病提供了創(chuàng)新平臺，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. 無線超級電容激活神經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)（W-SCAN）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2. W-SCAN中超級電容模塊的工藝開發(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實驗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