在長時間（數月至數年）和大量神經元（數百至數千個）中，以單神經元分辨率穩定記錄大腦活動，對于神經科學、醫學應用和腦機接口至關重要。
然而，實現具有大時空尺度的神經接口仍然具有挑戰性：身體對神經探針的免疫反應可能很嚴重，探針可能會偏離其所需位置，接口電子設備的性能可能會降低。一方面，盡管硅制成的剛性探針可以同時捕捉數百至數千個神經元的活動，但由于異物反應和大腦中的植入漂移，它們的穩定性會隨著時間的推移而降低。另一方面，由薄膜塑料制成的柔性探針在幾個月內跟蹤神經元活動時具有穩定性，但受到設計限制，因為只有剛性材料才能用于納米制造，因此需要探針非常薄。
解決這個問題需要腦-電子接口技術的創新，這是材料科學、微制造、電氣和機械工程以及生物工程觀點的協同作用，可以為高密度、持久的神經探針鋪平道路。
鑒于此，哈佛大學劉嘉等研究人員已經探索了氟化彈性體（特別是全氟聚醚基彈性體）作為軟神經探針封裝材料的前景。含氟彈性體具有超低介電常數、在生物流體中的穩定性以及與微制造中使用的有機溶劑的正交性。
該研究的分子動力學模擬得到了實驗數據的支持，表明與碳氫化合物彈性體相比，氟化彈性體的離子擴散率要低得多，正是這種特性確保了在1.5年以上的測試期內保持穩定的薄膜介電性能。
研究人員通過與納米厚導電電極的垂直堆疊，在高密度、軟神經探針的光刻制造中集成了氟化彈性體作為光致抗蝕劑。氟化彈性體的低模量確保了探針的靈活性，即使集成了多個電極層。當軟神經探針被植入小鼠皮層時，它們被證明可以有效地記錄神經活動。值得注意的是，盡管它們的橫向尺寸遠大于超柔性探針的橫向尺寸，但該探針在幾個月內實現了對單個神經元活動的穩定記錄。該軟神經探針還成功記錄了小鼠脊髓的電活動，證明了它們在需要高變形能力的神經界面中的潛力。
研究人員通過使用比傳統材料更具生物順應性的柔性封裝材料，在單細胞水平上建立了長期穩定的柔性腦電接口。這項工作有可能徹底改變用于神經記錄和刺激以及腦機接口的生物電子學的設計。然而，盡管結果非常有希望，但它們還沒有證明軟神經探針在長期穩定的單神經元記錄方面優于柔性探針。
該研究強調，通過仔細設計各種因素，為長期穩定的神經界面設計新型彈性體是可行的。這種方法與半導體行業依賴過時的現成材料的習慣形成了鮮明對比，這些材料最初并沒有針對體內生物電子學進行優化。
預計這項研究將擴大神經接口的設計可能性范圍。然而，一個癥結在于氟化材料的當前成本，其超過了商業上可獲得的柔性材料如聚酰亞胺的成本。這種成本因素可能會限制這項工作目前在工業領域的適用性。
展望未來，該項目的進展將是開發具有更高通道計數的軟神經探針，與硅探針（如Neuropixels）的通道計數相當，同時保持在數月至數年內跟蹤穩定的單個神經元活動的能力。實現這一點將需要將低功率混合信號ASIC和高密度輸入/輸出封裝集成到軟神經探針的制造方案中。
參考文獻：
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
