美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的研究人员开发出一种3D打印软脑电极的方法，能够匹配个体患者独特的大脑表面几何形状，旨在改善对神经退行性疾病的神经监测。该研究发表于《先进材料》（Advanced Materials）期刊，旨在解决神经接口技术中一个长期存在的普遍限制：标准生物电极由刚性材料制成，形状通用，无法贴合大脑高度可变的表面拓扑结构。

大脑的外表面通过脑回化过程形成褶皱，产生称为脑回的脊和称为脑沟的凹槽。虽然主要皮层褶皱在不同个体之间具有一致性，但精确的排列因人而异，而传统的电极设计并未考虑这种差异。论文通讯作者、宾夕法尼亚州立大学Wormley家族早期职业教授兼工程科学与力学助理教授Tao Zhou解释说：“每个人的大脑结构都不同，取决于身高、体重、年龄、性别等。尽管如此，我们仍试图将神经接口安装在大脑上，仿佛它们具有相同的结构。这促使我们根据每个个体的大脑结构来创建定制的电极。”

研究团队主要使用水凝胶构建电极，以尽可能匹配脑组织的机械性能。采用受蜂窝启发的几何结构来平衡柔韧性与结构强度，同时降低生产时间和材料用量。Zhou表示：“蜂窝结构有助于我们显著降低电极的刚度，而不牺牲其机械强度。此外，该结构有助于减少制造过程中的总体材料用量，从而缩短生产时间、降低成本并减少环境影响。”

生产过程首先进行MRI扫描，将数据输入有限元分析，生成患者神经结构的详细模拟。然后，软件塑造出定制的电极模型，并使用直接墨水打印技术进行打印——该技术能够生产可在相对较小的表面积上监测和传输脑信号的电极。

研究团队基于21名患者的MRI数据3D打印了大脑模型，并物理测量了电极贴合每个表面的程度。水凝胶电极表现出近乎完美的电连接性，并且与较硬的替代品不同，可以在不损伤柔软脑组织的情况下使用。在为期28天的大鼠模型试验中，电极没有产生免疫反应，并始终保持一致的性能。

Zhou说：“根据大脑的具体结构个性化定制电极可显著提高其可靠性。由于它们能更好地贴合大脑，信号质量本身也得到了显著提升。”研究团队现在计划将这项工作扩展到临床应用。“我们希望进一步改进这项技术，优化电极以监测特定疾病，”Zhou表示，“未来，我们非常希望与患者合作，看看这种方法如何在临床环境中支持脑部监测和疾病治疗。”