随着 新闻报道称埃隆·马斯克的 Neuralink 已获准开展人体试验，显而易见，脑机接口（BCI）等生物电子技术正从科幻走向现实。什么是脑机接口（BCI）？它是一种大脑植入设备，允许用户仅凭意念控制计算机或外部设备。
Neuralink 的 植入物包含 64 根细于发丝的线束，上面分布着 1000 多个电极，用于记录并向应用程序传输患者的思维信号。该程序随后会对脑电信号进行解码，从而控制计算机，实现如同鼠标点击或键盘输入般的操作。这为瘫痪或患有帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）等神经退行性疾病的患者提供了沟通渠道。其应用远不止于康复；Neuralink 展望了一个思维成为终极交互方式的未来，赋能人类控制设备、探索虚拟世界，甚至增强认知能力。
在连接大脑与计算机的探索中，Neuralink 并不孤单——诸如 Synchron 和 Precision Neuroscience 等公司也已开始进行 BCI 技术的人体临床试验。许多此类人体试验目前 旨在招募瘫痪或 ALS 患者，但其医学进步的机遇远不止于这些疾病。
对 CAS Content CollectionTM 中专利和期刊文献的分析显示，人们对生物电子学的兴趣日益浓厚，同时也揭示了其广泛应用所面临的重大挑战。过去五年中，与生物电子学相关的期刊论文数量大幅增长，但学术研究的增速已超过专利申请（见图 1）。这表明，这些技术的大规模商业化仍面临基础科学挑战，目前尚处于学术研究阶段，距离实际应用可能还需要数年时间。
为何将生物电子学无缝融入日常生活依然困难重重？哪些材料促成了这些创新，它们又该如何改进？我们对最新研究的分析揭示了几个关键趋势。
生物电子学简介
生物电子学涉及开发新型设备，通常采用创新材料和方法，使电子系统能够在分子、细胞和器官层面与生物组件进行交互。该方法利用生物体感知、处理和响应外部刺激的内在能力，结合现代电子元件的精确性和高速性。为了实现这种人机交互，这些创新在很大程度上依赖于一系列能够与生物组织有效集成的特种材料。
如前所述，Neuralink 使用的线束电极直径仅为人类发丝的五分之一，由导电金属与聚酰胺（一种塑料）结合而成。Precision Neuroscience 也 采用了嵌入柔性薄膜中的数千个微小电极，这些薄膜能够贴合大脑表面。电极材料的微型化是一项独特的挑战，因为它们必须在保持柔软、灵活和生物相容性的同时，高效地向生物组织传输电荷。
我们的研究表明，面部区域和神经系统是生物电子学研究中被提及最多的身体部位，但几乎所有系统都在一定程度上有所涉及（见图 2）。
我们正见证生物电子学在心脏监测、药物输送、疼痛管理等领域的应用。与脑机接口一样，这些创新必须使用能够满足多重需求的材料。相关材料详情如下。
生物电子学中使用的聚合物
聚合物是由多个单元键合而成的分子。在生物电子学领域，含聚合物的复合材料正受到越来越多的研究，因为它们能够整合多种互补性能的材料，或使材料在特定应用中发挥最佳功能。
例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其诸多优异性能，成为生物电子学文献中最常被提及的聚合物。首先，其可调的柔韧性和弹性使得制造能够与生物组织实现机械整合的柔性及可拉伸电子设备成为可能。基于PDMS的基底常用于制造柔性电极、传感器和可穿戴设备。PDMS也适用于光学应用，且PDMS封装的神经接口可植入大脑或神经系统，而不会造成严重的组织损伤或引发免疫反应。
碳纳米管是一种可与PDMS结合的导电材料。这些结构直径通常为几十纳米，具有导电性，可与PDMS混合使用，广泛应用于心脏肌肉和大脑等生物医学领域。
另一种极具前景的材料是PEDOT:PSS，这是一种兼具理想导电性和机械性能的聚合物组合。该材料可用于水凝胶，这类材料的特性与人体组织相似，非常适合生物电子应用。例如，近期一项专利描述了一种含有PEDOT:PSS的可注射凝胶电极，将其送入肿瘤切除腔内，可在术后对残留癌细胞进行电疗。
这些合成聚合物和纳米管等微观材料固然前景广阔，但我们也发现，科学家们并未忽视自然界中可用于制造生物电子复合材料的天然物质（见图3）。
天然聚合物（包括纤维素、海藻酸盐和丝蛋白）具有稳定性高、机械强度大和生物相容性好等优点。结合了PEDOT:PSS的丝蛋白基电极在可穿戴设备中展现出了出色的拉伸性和舒适度。另一项近期创新是将可生物降解的氧化钼与从褐藻中提取的海藻酸钠相结合，制成可吸收的超级电容器，为植入式生物电子设备供电。
生物电子学中的金属与无机化合物
这引出了另一类材料——金属。贵金属具有导电性和稳定性，因此在生物电子学研究中占据重要地位。例如，Neuralink公司就使用了金和铂这两种高度稳定且研究透彻的金属。
然而，我们的分析显示，钼、锌和镁等可生物降解及可生物吸收的金属也是极具潜力的生物电子无机化合物。这些材料既具备金属的电学特性，又能随时间推移在体内安全分解并被吸收。通过将这些金属与可生物降解的封装聚合物相结合，已成功构建出完全可吸收的生物电子设备，例如由钼和聚氨酯组成的电子神经刺激电极。
克服商业化障碍
生物电子学拥有无数创新可能，我们的期刊和专利研究表明，上述案例仅是众多潜在应用场景中的一小部分。然而，该领域并非没有重大挑战，且大多数技术仍处于实验阶段。
关键挑战之一是对这些材料和设备的免疫反应。每位患者的情况各异，需要进行广泛的试验和研究，才能证明各类生物电子材料可安全用于临床。例如，碳纳米管的结构多种多样，这使得预测个体反应变得更加困难。脑机接口（BCI）植入敏感的脑组织中，未来甚至可能涉及网络安全问题。
通往商业化的唯一途径是临床试验和体内测试。必须研究长期影响以确定毒性和有效性——导电材料能否保持有效的电荷传输能力？这些聚合物在体内会分解吗？脑机接口植入对人类生理或心理是否有长期影响？
解决这些问题是一项重要挑战，但同样重要的是这些创新改善生活质量的潜力。我们期待随着人体试验的增加以及更多概念进入专利申请阶段，相关研究在未来几年取得进展。尽管这听起来仍像科幻小说，但生物电子学将成为未来医疗保健的关键组成部分。欲了解生物电子学及其他新兴生物材料类别将如何重塑未来，请查看我们的报告：十大新兴生物材料趋势。
本文结合了与中国西湖大学合作完成的研究成果。
