AFM：用于柔性多模态生理-电生理监测的激光诱导石墨烯生物电子器件

背景介绍

神经精神障碍影响着全球超过10%的人口，不仅对患者的生活质量构成严重威胁，在重症病例中，甚至危及其生存。这些疾病给全球范围内的个体、家庭及医疗保健系统带来了沉重的负担。此类疾病的发生与演进涉及复杂的病理过程，其典型特征往往是神经回路的功能障碍。这种功能紊乱不仅损害特定的脑功能，还会引发与其相互关联的外周器官出现生理异常。因此，对神经回路进行精准的功能绘图，并准确监测生理状态的变化，对于深化我们对大脑机制的理解至关重要。

神经系统疾病往往通过行为异常和全身性生理改变这两种形式表现出来。例如，癫痫发作通常伴随着肢体突然、非自主的抽搐以及心律失常，这充分体现了异常神经活动与外周生理状态之间错综复杂的相互作用。在此背景下，生物传感器已成为定量监测行为动态与生理动态不可或缺的工具。

若要有效地应用于神经生理学研究，理想的生物传感器必须满足一系列严格的要求：(1) 具备极高的灵敏度，能够捕捉生理或行为参数中细微的波动；(2) 拥有优异的生物相容性和力学柔顺性，以确保能与生物组织实现无缝集成；以及 (3) 具备高信噪比（SNR）和长期运行稳定性，从而确保信号的保真度。

近年来，可穿戴电子技术与材料工程领域的突破性进展，推动了高性能柔性应变传感器的研发，使其具备了高灵敏度、宽工作范围及快速响应等卓越特性。例如，基于MXene/AgNW材料的可拉伸传感器已被成功设计用于精准监测脉搏和血压；嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的棘状碳纳米球，被用于制备在宽应变范围内均保持高灵敏度的应变传感器；此外，利用裂纹偏转机制构建的水凝胶-激光诱导石墨烯复合传感器，展现出极佳的可拉伸性，非常适用于心脏活动及皮肤界面的生理监测。

尽管取得了上述进展，但在跨物种（尤其是啮齿类动物疾病模型）中验证生物传感器的性能方面，仍面临着严峻的挑战；在这些模型中，由于解剖结构微小、生理变异性高以及行为动态变化迅速，对传感器的分辨率和灵敏度提出了极高的要求。此外，作为神经科学领域的“金标准”技术，电生理记录能够直接、高分辨率地获取特定脑区内的神经元活动信息，并有助于分析不同神经回路之间的功能连接。若将其与行为学及生理学监测相结合，电生理技术便能提供一种强有力的手段，用于解析健康及病理状态下的神经动力学机制。近年来，材料科学与微尺度制造技术的长足进步，推动了柔性及可拉伸神经电极阵列的研发；这类阵列显著缓解了刚性植入物与柔性神经组织之间存在的机械失配问题。这些柔性生物电子系统展现出更优异的机械贴合性、极低的免疫排斥与炎症反应、增强的长期稳定性，以及高质量的神经信号采集能力。

然而，目前仍存在一个亟待解决的关键需求：即将生理学与电生理学传感功能整合至单一的多模态系统中，从而实现对同一受试对象进行同步监测。若能实现这一目标，便可绘制出神经回路活动与动态生理及行为状态之间的系统级关联图谱；这不仅能为深入理解神经系统疾病的病理生理机制提供更为全面的视角，还能为精准治疗策略的制定提供重要的理论依据。激光诱导石墨烯（LIG）凭借其“直写式”制造工艺、高度灵活的图案化能力以及固有的柔韧特性，在应对上述挑战方面展现出独特的优势，使其在生物传感器及神经电极应用领域均极具吸引力。尽管如此，如何合理优化LIG的微观结构并对其界面进行精巧设计，从而在同步提升其电化学性能与机械鲁棒性的同时满足各类特定的应用需求，依然是当前亟待突破的一个关键瓶颈。

本文亮点

1. 本工作报道了一种柔性激光诱导石墨烯（LIG）生物电子器件，该器件不仅实现了与软组织的机械兼容性，还具备跨物种的多模态记录能力。

2. 通过优化制备工艺和多步表面修饰，成功开发了双层LIG（BiL-LIG）生物传感器；该传感器工作范围宽广（相比单层LIG提升高达40%），且在高应变状态下仍保持极高的灵敏度（应变系数达3.77）。

3. 与此同时还研制了界面工程化LIG（IntE-LIG）神经电极阵列；该阵列展现出卓越的信号保真度、显著降低的阻抗（降幅高达98.5%），以及优异的体内长期稳定性（信号质量可维持长达4周）。

4. BiL-LIG生物传感器成功捕捉了人类志愿者、非人灵长类动物及啮齿类动物体内的微细体动及心率、呼吸等关键生理信号；而IntE-LIG电极则实现了稳定且长期的体内神经信号记录。

5. 通过整合上述器件，构建了一套柔性生理-电生理监测系统（PEMS）；该系统在小鼠癫痫模型中得到了有效验证，能够同步追踪癫痫发作及药物干预过程中的心率变化与神经活动。

图文解析

图1. 生理-电生理监测系统（PEMS）制备过程的示意图。激光诱导石墨烯（LIG）平台具有多项优势，包括制备简便、图案化可定制、器件小型化以及可规模化量产。通过低温转移技术结合双激光加工工艺，成功制备出具有优化微观结构和电化学特性的图案化双面激光诱导石墨烯（BiL-LIG）。这种双面工程策略显著提升了LIG的延展性和机电灵敏度，而这两项特性对于实现高保真生理传感至关重要。为了在保留LIG基材料固有机械优势的同时，进一步提升其电化学稳定性并降低界面阻抗，随后通过界面涂覆导电聚合物-金复合材料（CPAC）对BiL-LIG进行了改性。所得的界面工程化LIG（IntE-LIG）在机械鲁棒性、电化学稳定性和生物相容性方面均表现出显著增强，使其非常适用于长期神经接口应用。通过充分利用BiL-LIG与IntE-LIG之间特性互补的优势，成功制备了柔性生物传感器和神经电极阵列，并将其集成至PEMS中，从而在癫痫小鼠模型上实现了实时多模态体内监测及闭环反馈调控。

文献信息

文献标题：Laser-Induced Graphene Bioelectronics for Flexible Multimodal Physiological-Electrophysiological Monitoring

第一作者：Xin Liao，Dengyu Lu，Yiyong Wu，Yaxin Chen

通讯作者：Yi Lu

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院

DOI: 10.1002/adfm.202531604