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脑神经双向调制技术通过兴奋或抑制神经元活动，在治疗运动神经障碍、情绪失调及认知缺陷等领域具有重要价值。当前主流技术如经颅直流电刺激（t-DCS）和深部脑电脉冲刺激（DBS）依赖金属探针植入，存在安全性低、单向调节、空间分辨率不足及长期植入并发症等问题。

近年来，基于内源电场（EEF）的离子扩散效应因其低频、弱刺激和生物相容性优势成为新型神经调控策略，但其能量供给模块仍面临储能效率低和双向调制机制匮乏的挑战。超级电容器凭借对称电极结构和高安全性电荷存储特性，为双向神经调控提供了潜在解决方案，然而传统器件在体内应用中存在界面阻抗高、无线传输效率不足以及生物适应性差等瓶颈。

针对上述问题，本研究提出了一种水凝胶一体化的植入式无线超级电容器激活神经元系统（W-SCAN），旨在通过材料创新与集成设计实现安全、高效的双向神经电干预。

4月21日，北京理工大学柔性电子集成与智造研究所沈国震教授和李腊副教授联合湖南工业大学许建雄教授，在《Advanced Materials》上发表了一项创新性研究，推出了一种水凝胶一体化的植入式无线超级电容器激活神经元系统（W-SCAN），该系统基于超级电容器对称电极特性，通过外部交变电场切换实现离子扩散方向调控，避免了传统直流电刺激的热损伤风险。电生理实验表明，低频率振荡电流可精准调节神经元膜电位，为开发非侵入式、自适应神经调控系统提供了新范式。

脑神经元双向调制的意义

脑神经元双向调制在运动障碍和情绪疾病治疗中具有关键作用，但现有电刺激技术存在金属探针植入风险、单向调节局限性和组织损伤等问题。传统深部脑刺激（DBS）需定期更换脉冲发生器，且易引发肌肉震颤等副作用，制约了临床应用效果。

图1 无线超级电容激活神经调制系统（W-SCAN）的系统结构

W-SCAN系统的创新

W-SCAN，一种可植入式无线水凝胶一体化超级电容器神经调控系统。该集成系统通过超级电容器阵列的能量存储模块、谐振耦合无线供能模块、二极管桥式整流电路与水凝胶电解质基质的系统整合，创新性地建立了基于振荡离子扩散动力学的双向神经调控机制。区别于传统的Faradic电流作用模式，该系统通过调控电荷存储/释放的动力学参数实现兴奋性与抑制性刺激模式的动态切换，在消除热力学损伤风险的同时维持稳定的电化学界面环境。体内实验结果表明，该系统采用频率编码策略（高频兴奋/低频抑制）能精准调控特定脑区神经活动，其间歇式振荡电流模式有效解决了直流刺激的电荷沉积问题。

图2 W-SCAN中超级电容模块的工艺开发

图3 探索基于水凝胶聚合工艺的功能化电极的卓越电化学特性

图4 W-SCAN的无线功率传输行为

从长期植入到双向刺激：功能验证

研究团队在活体模型中验证了W-SCAN系统的多脑区调控效能：

丘脑双向调节：植入兔脑丘脑区域，通过±30nA双向电流刺激，成功实现δ波同步增强（功率提升3.2倍）与异常放电抑制（抑制率67%），持续工作7天电压保持率96.7%；

杏仁核情绪调控：在焦虑模型兔杏仁核植入系统，50Hz低频刺激显著降低应激行为频率（P<0.05），反向电场诱发θ波节律重组，改善情绪相关脑电特征；

前额叶认知干预：阿尔茨海默模型兔前额叶植入后，经14天连续调控，空间记忆测试正确率提升42%，H&E染色显示神经元密度增加19%且无胶质增生。

图5 W-SCAN作为颅内靶向离子电刺激介质的应用

临床转化与未来展望

该研究虽仍处于动物实验阶段，但其设计理念和性能表现，为多个关键临床场景带来了可期的应用前景。

该技术突破传统神经调控设备的三大瓶颈：

取代刚性金属电极，实现柔性界面的长期生物整合；

通过离子电流替代电子传导，消除组织电解损伤风险；

整合多脑区同步调控能力，支持个性化神经环路重建。

研究团队正推进临床试验，开发适用于帕金森病震颤控制、抑郁症前额叶调控和阿尔茨海默病记忆环路修复的专用模块。未来结合AI闭环控制算法，有望实现自适应神经调节，推动神经调控进入”精准个体化”时代。这项研究开创了水凝胶电子学与神经界面交叉的新领域，其无线供能、双向调节和生物整合特性，为开发下一代脑机接口和神经修复装置奠定了技术基础，标志着神经调控技术从”电子干预”向”离子对话”的范式转变。

X. Sheng, Z. Du, Z. Gao, J. Xu, L. Li, G. Shen, An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation. Adv. Mater. 2025, 2504558. https://doi.org/10.1002/adma.202504558