对大脑中的神经元进行双向调控，增强和抑制神经活动，是治疗运动神经紊乱、情感障碍和认知缺陷的重要方法，其作用机制源于通过双向调节神经元兴奋性与抑制性活动的动态平衡，进而实现神经环路功能重塑。目前基于电刺激或电化学刺激原理的神经调控技术，主要采用植入式金属电极的单向直流电刺激模式。然而，该传统范式存在以下技术局限性：首先，刚性金属电极作为长期植入装置易引发宿主免疫排斥反应及机械失配性组织损伤；其次，持续性直流电刺激导致的电荷累积效应及焦耳热现象可造成神经组织不可逆损伤；最后，单向刺激模式难以实现神经环路的动态双向调控。基于上述技术瓶颈，开发具有生物相容性优异、动态调节特性显著且组织损伤风险低的新型神经调控技术已成为迫切需求。

近期，必威官方首页官网生物与医学工程学院许建雄教授课题组与北理工国家杰青沈国震教授课题组、合作，提出了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，该系统通过调控电场方向策略可实现特定脑区神经活动的动态切换和精准调控，其间歇性振荡电流模式有效规避了直流刺激的电荷沉积问题，并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。相关研究工作以“An Implantable In-Hydrogel Wireless Supercapacitor-Activated Neuron System Enables Bidirectional Modulation”为题发表在《Advanced Materials》。论文共同作者为必威官方首页官网生物与医学工程学院2023级硕士研究生盛翔宇与北京理工大学集成电子与电路学院博士研究生杜直建。

W-SCAN系统构建示意图

在具体工作中，首先将石墨烯基墨水旋涂于PET膜，激光雕刻电极图案后，组装好线圈和二极管桥电路后封装入水凝胶，最后再次通过激光雕刻在水凝胶内将超级电容器阵列和刺激电极图案化。W-SCAN作为可植入的无线水凝胶超级电容器神经调控系统，成功实现神经活动的安全双向调控。通过将W-SCAN植入在兔子的脑部皮层，通过频率依赖性调控（如高频兴奋/低频抑制）干预特定脑区神经活动，实时监测连续刺激下输出的脑电信号，其稳定性表明W-SCAN具有良好的潜力和临床应用价值。该技术为帕金森病（基底神经节环路调控）、抑郁症（前额叶皮层-边缘系统神经调制）及阿尔茨海默病（海马区突触可塑性调控）等严重神经性疾病提供了创新平台，在神经工程领域注入了可植入器件生物界面优化与闭环调控系统集成的丰富潜力。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目（62474019,52474326）、北京市自然科学基金项目（L223006）、湖南省杰出青年自然科学基金项目（2024JJ2029）和北京理工大学科研创新促进项目（2024YCXY001）资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202504558