在长时间（数月至数年）和大量神经元（数百至数千个）中，以单神经元分辨率稳定记录大脑活动，对于神经科学、医学应用和脑机接口至关重要。

然而，实现具有大时空尺度的神经接口仍然具有挑战性：身体对神经探针的免疫反应可能很严重，探针可能会偏离其所需位置，接口电子设备的性能可能会降低。一方面，尽管硅制成的刚性探针可以同时捕捉数百至数千个神经元的活动，但由于异物反应和大脑中的植入漂移，它们的稳定性会随着时间的推移而降低。另一方面，由薄膜塑料制成的柔性探针在几个月内跟踪神经元活动时具有稳定性，但受到设计限制，因为只有刚性材料才能用于纳米制造，因此需要探针非常薄。

解决这个问题需要脑-电子接口技术的创新，这是材料科学、微制造、电气和机械工程以及生物工程观点的协同作用，可以为高密度、持久的神经探针铺平道路。

鉴于此，哈佛大学刘嘉等研究人员已经探索了氟化弹性体（特别是全氟聚醚基弹性体）作为软神经探针封装材料的前景。含氟弹性体具有超低介电常数、在生物流体中的稳定性以及与微制造中使用的有机溶剂的正交性。

该研究的分子动力学模拟得到了实验数据的支持，表明与碳氢化合物弹性体相比，氟化弹性体的离子扩散率要低得多，正是这种特性确保了在1.5年以上的测试期内保持稳定的薄膜介电性能。

研究人员通过与纳米厚导电电极的垂直堆叠，在高密度、软神经探针的光刻制造中集成了氟化弹性体作为光致抗蚀剂。氟化弹性体的低模量确保了探针的灵活性，即使集成了多个电极层。当软神经探针被植入小鼠皮层时，它们被证明可以有效地记录神经活动。值得注意的是，尽管它们的横向尺寸远大于超柔性探针的横向尺寸，但该探针在几个月内实现了对单个神经元活动的稳定记录。该软神经探针还成功记录了小鼠脊髓的电活动，证明了它们在需要高变形能力的神经界面中的潜力。

研究人员通过使用比传统材料更具生物顺应性的柔性封装材料，在单细胞水平上建立了长期稳定的柔性脑电接口。这项工作有可能彻底改变用于神经记录和刺激以及脑机接口的生物电子学的设计。然而，尽管结果非常有希望，但它们还没有证明软神经探针在长期稳定的单神经元记录方面优于柔性探针。

该研究强调，通过仔细设计各种因素，为长期稳定的神经界面设计新型弹性体是可行的。这种方法与半导体行业依赖过时的现成材料的习惯形成了鲜明对比，这些材料最初并没有针对体内生物电子学进行优化。

预计这项研究将扩大神经接口的设计可能性范围。然而，一个症结在于氟化材料的当前成本，其超过了商业上可获得的柔性材料如聚酰亚胺的成本。这种成本因素可能会限制这项工作目前在工业领域的适用性。

展望未来，该项目的进展将是开发具有更高通道计数的软神经探针，与硅探针（如Neuropixels）的通道计数相当，同时保持在数月至数年内跟踪稳定的单个神经元活动的能力。实现这一点将需要将低功率混合信号ASIC和高密度输入/输出封装集成到软神经探针的制造方案中。

参考文献：

Le Floch, P., Zhao, S., Liu, R. et al. 3D spatiotemporally scalable in vivo neural probes based on fluorinated elastomers. Nat. Nanotechnol. (2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01545-6