摘要：MXenes是一类层状二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，在溶液中加工的二维材料中具有最高的导电性。优化后的MXene Ti₃C₂电导率比还原氧化石墨烯（rGO）高约5-10倍，已广泛应用于生物医学领域。Ti3C2 MXenes于2018年首次用于修

MXenes是一类层状二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，在溶液中加工的二维材料中具有最高的导电性。优化后的MXene Ti₃C₂电导率比还原氧化石墨烯（rGO）高约5-10倍，已广泛应用于生物医学领域。Ti3C2 MXenes于2018年首次用于修饰电极阵列，显示出优异的电气性能与生物相容性。近年来，直接由MXene网络制造的高性能神经电极已经显示出超过大多数材料的电学性能，并且它们还表现出出色的MRI兼容性。然而，与已有的电极材料相比，这些MXene基电极只为神经接口提供了微小的性能提升，未能发挥MXene纳米片固有的电学性能优势。

通过研究二维纳米材料在神经电极中的应用，中国科学院深圳先进技术研究院都展宏团队设计了一种结合应变控制的两步凝固纺丝体系，首次成功制备出可用于神经记录及刺激的液晶MXene纤维电极（MX）以及性能更优良的MXene/PEDOT-PSS复合电极（MPP）。该纺丝体系结合了缓慢凝固与应变诱导排列，使得电极纤维具备致密的微纳粗糙结构，且避免了生物危害性物质的引入。MPP的综合电学性能相比于现有神经电极材料高出约10-100倍，在记录与刺激应用实验中表现出色，并可兼容核磁共振成像。同时，这种微米级纤维电极可以低成本批量制备，表现出临床转化和市场化应用的潜力。该研究以题为“High-Performance MXene/PEDOT-PSS Microscale Fiber Electrodes for Neural Recording and Stimulation”的论文于2025年2月发表在《Advanced Functional Materials》上。

【两步凝固纺制MXene基液晶纤维】

这项研究工作中MXene基电极电学性能的大幅度的提高主要依赖于液晶相纳米片的微纳结构。在剪切力作用下，注射器中的各向同性纳米片在进入壳聚糖-低浓度醋酸凝固液时会转变为向列态，诱导有序液晶MXene结构域的排列。低浓度的PEDOT-PSS无法形成长程有序结构，通过静电吸附均匀分布在MXene片层间。壳聚糖聚合物链会导致水逐渐从纺丝溶液中排出，有助于MXene纳米片初始组装成均匀堆叠结构的过程，形成具有高残余含水量的粗糙凝胶状长丝。在应变控制凝固过程中，凝胶长丝中的水分由于蒸汽压而蒸发，使得MXene纳米片之间的范德华力和静电相互作用表现出很强的吸引效应。由于应变控制，纳米片的旋转熵显著降低，迫使它们在纤维内进一步轴向排列。测试结果表明，PEDOT-PSS分子链的加入并未显著干扰纳米片结构的排列，并且能保持溶液中的线型醌类结构，在不增加电极体积的情况下沿轴向和径向提供额外的电子离域路径。

图1. 两步凝固法制备纤维电极及材料基础表征

【电极综合电学性能分析】

在电学性能测试中，MXene基液晶电极表现出了绝对领先的性能优势。MPP电极在在1 kHz下的阻抗仅43.16 Ω/mm²，且阴极电荷存储能力（CSCc）高达989.77 mC/cm²，电荷注入能力（CIC）高达11.81 mC/cm²，与尺寸相近的铂铱合金电极相比高出约两个数量级，这是评价神经电极记录能力、刺激能力的重要指标。此外，得益于截面处的良好结构，MPP截面的电学性能相比于整体而言会进一步提升约一个数量级。此外，电极在施加10万次常见的脑深部刺激方波后性能未见明显变化，并在施加1000次极限电压循环后，电荷存储能力仍保留93%，表现出了良好的电学稳定性。与现有的先进神经电极材料，如碳纳米管（CNT）,碳纤维，氧化石墨烯（GO）相比，表现出了明显的性能优势。

图2. 神经电极综合电学性能分析

【体表电生理记录应用】

基于MPP简单制备的体表记录电极位点面积仅为商业Ag/AgCl凝胶电极的七百分之一，但其在皮肤的阻抗与商业电极相似。此外，MPP电极成功捕获人体EMG、EEG和ECG信号，信噪比（25.78 dB）媲美商用电极。

图3. MPP用于肌肉电信号记录及手势识别

图4. MPP用于体表EEG、ECG记录

【大脑皮层记录及脑深部刺激应用】

为进一步检验MPP的应用可靠性，作者首先使用MPP记录小鼠在黑白棋盘格刺激下的视觉皮层信号。结果表明，MPP可以记录到与刺激时间呈现相干性的清晰局部场电位（LFP）与神经元放电。此外，对大鼠进行丘脑底核刺激时，MPP能稳定诱发运动皮层的响应电信号，验证了其高效刺激能力。值得注意的是，MPP还与核磁共振成像良好兼容，这进一步拓展了其应用场景。

图5. 大脑皮层记录及脑深部刺激中MPP的应用效果

作者通过创新的生物兼容性两步凝固纺丝工艺，制备了首个液晶MXene基神经电极，通过液晶排列结构与层间PEDOT-PSS高效发挥了Ti3C2 MXene的电学优势，实现了神经接口技术的多维度突破——高灵敏度记录、高效刺激与MRI兼容性。未来，该技术有望推动双向神经接口设备的发展，为神经疾病的精准诊疗以及高性能人机交互界面提供全新工具。

项目研究助理苟书淳为本文第一作者，深圳先进院脑所脑信息中心、深圳理工大学生命健康学院智能交叉科学中心副研究员都展宏为本文通讯作者。本文合作者包括中科大和先进院脑所毕国强教授，为本文提供了重要指导和大力支持；共同作者还包括项目研究助理李沛轩和国科大硕士生杨澍。团队感谢课题组研究助理程宇航、杨智豪，硕士生杨斯轶等对项目的支持和帮助。本研究受到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目青年科学家项目、国家自然科学基金委重点与青年项目、科技部重点领域研发计划、广东省重点领域研发计划、中科院战略性先导科技专项、基金委-广东省联合项目、深圳市基础研究项目、深圳市脑解析与脑模拟重大科技基础设施、深港脑科学创新研究院等项目和平台的支持。

都展宏课题组（生物电子界面工程实验室，BEIE Lab）正在积极寻求科研合作，课题组长期招聘神经生理学、生物医学工程、电化学材料等交叉学科背景方向的博士后，如有合作或加入意向，欢迎联系：

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来源：币天科学社区