來源：納米人

在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，長期植入式電子設(shè)備正成為神經(jīng)科學研究和人機交互接口的關(guān)鍵技術(shù)。然而，現(xiàn)有植入式設(shè)備存在一個根本性局限：一旦植入體內(nèi)，便無法移動或調(diào)整位置，這不僅限制了信號采集的靈活性，還可能引發(fā)炎癥反應和組織損傷。這一困境直到中國科研團隊在《自然》雜志上發(fā)表最新研究成果才得以突破——他們受蚯蚓啟發(fā)，成功研制出世界首款可主動運動、長期植入的柔性纖維傳感器"NeuroWorm"。

該項工作由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院劉志遠研究員、徐天添研究員團隊與東華大學先進纖維材料全國重點實驗室朱美芳院士、嚴威研究員團隊合作完成。論文題目為 A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics。

這項研究的靈感來源于自然界中常見的蚯蚓。蚯蚓具有分節(jié)式身體結(jié)構(gòu)，能夠通過分散的感知和神經(jīng)單元實現(xiàn)自主運動和環(huán)境響應。其細長的形態(tài)使其能夠在復雜環(huán)境中自如移動?？蒲袌F隊巧妙地借鑒了這一設(shè)計理念，開發(fā)出直徑僅109微米、可在外磁場引導下在生物組織內(nèi)主動運動的柔性纖維傳感器。該器件采用獨特的卷繞工藝，將二維薄膜電極陣列轉(zhuǎn)化為一維纖維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了真正的自封裝集成。

NeuroWorm的性能參數(shù)令人矚目。其直徑最小可達109微米，遠超傳統(tǒng)電極的集成度，單根纖維上最多可分布60個電極通道。力學性能方面，它的楊氏模量僅為3.1兆帕，拉伸率高達94%，能夠與生物組織保持高度力學兼容。最引人注目的是其長期穩(wěn)定性——在大鼠肌肉中植入43周后仍能穩(wěn)定工作，且纖維周圍的纖維化包裹厚度僅23微米，遠低于傳統(tǒng)剛性電極的451微米。

這項技術(shù)的突破性在于三大核心優(yōu)勢。首先是可主動運動能力。通過在前端集成微型磁珠，NeuroWorm能夠在外部磁場控制下實現(xiàn)精準三維運動，從而在不需要二次手術(shù)的情況下調(diào)整監(jiān)測位置。其次是多信號同步采集能力，可同時記錄生物電信號和機械應變信號，為研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的協(xié)同作用提供了全新手段。第三是微創(chuàng)植入特性，纖細的纖維結(jié)構(gòu)極大減小了手術(shù)創(chuàng)傷，降低了感染風險。

在應用驗證方面，研究團隊展示了NeuroWorm在多個場景下的卓越表現(xiàn)。在大腦監(jiān)測中，通過僅5毫米的顱骨開口，NeuroWorm就能在兔腦皮層和皮質(zhì)下區(qū)域自由移動，實時采集高質(zhì)量的ECoG和LFP信號。在肌肉信號監(jiān)測方面，它能夠在肌肉-筋膜區(qū)間自由移動，同步記錄多通道肌電信號，為運動功能研究和智能假肢控制提供了新的技術(shù)路徑。值得一提的是，團隊還成功實現(xiàn)了結(jié)腸內(nèi)電信號的長期監(jiān)測，這為胃腸神經(jīng)系統(tǒng)研究開辟了新的方向。

然而，這項技術(shù)仍有提升空間。目前采用的開環(huán)磁控策略在運動速度和定位精度上還存在局限，在不可視區(qū)域內(nèi)的運動需要影像引導。此外，永磁體磁場衰減較快，在不同組織深度下的控制一致性有待提高。針對這些挑戰(zhàn)，研究團隊表示下一步將開發(fā)大規(guī)模電磁線圈陣列，能夠產(chǎn)生高強度、動態(tài)可調(diào)的磁場，支持更小型的磁針，通過多線圈電流調(diào)制實現(xiàn)推進和轉(zhuǎn)向的實時解耦控制。隨著閉環(huán)運動控制策略的實現(xiàn)，NeuroWorm將能夠在復雜無路徑的組織中實現(xiàn)精確安全的導航。

這項研究成果標志著生物電子設(shè)備從"靜態(tài)"向"動態(tài)"的重要轉(zhuǎn)變，突破了傳統(tǒng)植入式設(shè)備的固有局限。它不僅為神經(jīng)科學研究提供了強大的工具，更為神經(jīng)疾病治療、智能假肢控制、人機交互等領(lǐng)域帶來了新的突破。隨著技術(shù)的進一步完善和臨床轉(zhuǎn)化的推進，這種可主動運動的柔性纖維傳感器有望為個性化醫(yī)療和長效人機融合提供強有力的技術(shù)支持。

圖1. 神經(jīng)蠕蟲的設(shè)計、制作策略和演示。

圖2. 神經(jīng)蠕蟲的機械適應性。

圖3. 使用NeuroWorm系統(tǒng)對外周肌肉中電生理和機械信號進行長期植入式監(jiān)測。

圖4. 磁場控制下神經(jīng)蠕蟲對大腦和皮下筋膜的動態(tài)探詢。

圖5. 神經(jīng)蠕蟲在大腦和脊髓液中的運動示意圖。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w

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