MXenes是一类层状二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，在溶液加工型二维材料中展现出最高导电性。经优化的Ti₃C₂MXene电导率可达还原氧化石墨烯（rGO）的5-10倍，已成功应用于生物医学领域。自2018年Ti₃C₂MXene首次用于修饰电极阵列并展现优异电性能与生物相容性以来，基于MXene网络直接构建的高性能神经电极已展现出超越多数材料的电学特性和卓越的MRI兼容性。然而，相较于现有电极材料，既往MXene基电极仅实现神经接口性能的边际改善，未能充分释放MXene纳米片固有的电学潜能。针对这一局限，中国科学院深圳先进技术研究院都展宏团队通过创新设计应变控制的两步凝固纺丝体系，首次制备出适用于神经记录与刺激的液晶MXene纤维电极（MX）及其强化型MXene/PEDOT-PSS复合电极（MPP）。

该纺丝体系通过耦合缓慢凝固与应变诱导排列机制，在避免引入生物危害物质的同时，赋予电极纤维致密的微纳结构。其中，MXene层间精准组装的PEDOT-PSS分子形成三维导电网络，使复合电极电荷存储能力达到989.77 mC/cm²，较传统金属电极提升两个数量级。这种兼具高导电性与离子渗透性的界面创新，为神经环路动态解析提供了突破性工具。研究证实，MPP的综合电学性能较现有神经电极材料提升10-100倍，在神经记录与刺激实验中表现卓越，且完全兼容磁共振成像（MRI）。这种可低成本批量制备的微米级纤维电极已展现出临床转化潜力。相关成果以"High-Performance MXene/PEDOT-PSS Microscale Fiber Electrodes for Neural Recording and Stimulation"为题，于2025年2月发表于Advanced Functional Materials。

两步凝固纺制MXene基液晶纤维

这项研究工作中MXene基电极电学性能的大幅度的提高主要依赖于液晶相纳米片的微纳结构。在剪切力作用下，注射器中的各向同性纳米片在进入壳聚糖-低浓度醋酸凝固液时会转变为向列态，诱导有序液晶MXene结构域的排列。低浓度的PEDOT-PSS无法形成长程有序结构，通过静电吸附均匀分布在MXene片层间。壳聚糖聚合物链会导致水逐渐从纺丝溶液中排出，有助于MXene纳米片初始组装成均匀堆叠结构的过程，形成具有高残余含水量的粗糙凝胶状长丝。在应变控制凝固过程中，凝胶长丝中的水分由于蒸汽压而蒸发，使得MXene纳米片之间的范德华力和静电相互作用表现出很强的吸引效应。由于应变控制，纳米片的旋转熵显著降低，迫使它们在纤维内进一步轴向排列。测试结果表明，PEDOT-PSS分子链的加入并未显著干扰纳米片结构的排列，并且能保持溶液中的线型醌类结构，在不增加电极体积的情况下沿轴向和径向提供额外的电子离域路径。

电极综合电学性能分析

在电学性能测试中，MXene基液晶电极表现出了绝对领先的性能优势。MPP电极在1 kHz下的阻抗仅43.16 Ω/mm²，且阴极电荷存储能力（CSCc）高达989.77 mC/cm²，电荷注入能力（CIC）高达11.81 mC/cm²，与尺寸相近的铂铱合金电极相比高出约两个数量级，这是评价神经电极记录能力、刺激能力的重要指标。此外，得益于截面处的良好结构，MPP截面的电学性能相比于整体而言会进一步提升约一个数量级。此外，电极在施加10万次常见的脑深部刺激方波后性能未见明显变化，并在施加1000次极限电压循环后，电荷存储能力仍保留93%，表现出了良好的电学稳定性。与现有的先进神经电极材料，如碳纳米管（CNT）,碳纤维，氧化石墨烯（GO）相比，表现出了明显的性能优势。

体表电生理记录应用

在非侵入式应用中，MPP电极微型记录位点（仅为商用Ag/AgCl电极的1/700）实现了25.78 dB的高信噪比（图3e），其MXene/PEDOT-PSS复合结构支持肌电、脑电与心电信号多种信号采集。尤为突出的是0.0047 cm²接触面积可动态解析肌肉收缩时序（图3f），这一亚毫秒级分辨能力可能为帕金森病等运动障碍疾病的早期诊断提供了新型动态监测工具，突破了传统体表电极因尺寸限制（通常>3 cm²）导致信号空间模糊的技术瓶颈。

大脑皮层记录及脑深部刺激应用

在侵入式神经接口领域，MPP电极通过材料创新实现了跨尺度调控。植入小鼠视觉皮层后，其微型界面成功捕获棋盘格刺激诱发的局部场电位与单神经元放电，分辨率与铂铱电极相当；而对大鼠丘脑底核进行130 Hz高频刺激时，11.81 mC/cm²的电荷注入能力（较传统电极提升200倍）可稳定诱发运动皮层响应电位，这一性能使深部脑核团的长时程精准调控成为可能。MXene电极也可解决临床长期痛点——在11.3T强磁场下无伪影干扰，可实现植入电极与术中MRI导航的实时协同，可为神经外科精准定位导航提供新的解决方案。

该技术的核心优势源于材料性能的生物学适配：43.16 Ω/mm²的低阻抗特性（较铂铱合金降低3.7倍），989.77 mC/cm²的电荷存储能力（提升108倍），11.81 mC/cm²的电荷注入能力，优良生物相容性与核磁成像兼容性。这些特性共同解决了传统电极在记录和刺激中的界面性能受限和成像伪影等难题。

依托低成本湿法纺丝工艺（图1b-d），MPP纤维已实现30 µm直径的亚米级连续生产，有望进一步集成至深部脑刺激器和闭环癫痫调控系统等。该技术可将双向神经接口的刺激精度推动至单神经元级别，同时将体表监测的空间分辨率推进至亚毫米尺度，可能为抑郁症深部刺激、癫痫闭环调控等功能性神经疾病的精准诊疗建立新一代技术平台。

项目研究助理苟书淳为本文第一作者，深圳先进院脑所脑信息中心副研究员都展宏为本文通讯作者。本文合作者包括中科大和先进院脑所毕国强教授，为本文提供了重要指导和大力支持；共同作者还包括项目研究助理李沛轩和国科大硕士生杨澍。团队感谢课题组研究助理程宇航、杨智豪，硕士生杨斯轶等对项目的支持和帮助。本研究主要受到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”项目、国家自然科学基金委重点项目、科技部重点领域研发计划、深圳市脑解析与脑模拟重大科技基础设施、深港脑科学创新研究院等项目和平台的支持。

都展宏课题组（生物电子界面工程实验室，BEIE Lab）正在积极寻求科研合作，课题组长期招聘神经生理学、生物医学工程、电化学材料等交叉学科背景方向的博士后，如有合作或加入意向，欢迎联系

图1. 两步凝固法制备纤维电极及材料基础表征

图2. 神经电极综合电学性能分析

图3. MPP用于肌肉电信号记录及手势识别

图4. MPP用于体表EEG、ECG记录

图5. 大脑皮层记录及脑深部刺激中MPP的应用效果