Nature Sensors | 中山大学突破性研究——柔性电子毛发的微创植入：尖端聚焦射频技术如何开启人机交互的新纪元

传统的柔性电极植入通常需要手术切开或空心针辅助。针助植入法（HNA）虽然能够输送柔性电极，但由于针头撤回时会产生组织间隙，往往导致电极移位、固定困难，且无法在电极侧壁预涂生物粘合剂。更重要的是，机械穿刺不可避免地会撕裂微血管，引起局部出血。

谢曦团队设计的 TFRFP 策略巧妙地利用了局部高频电场（500kHz）在 FEH 极小尖端产生的能量聚集效应。当 FEH 接触组织表面并开启射频电源时，电场诱导组织内外环境中的水分子剧烈振荡和带电离子移动，通过偶极旋转和离子传导产生高度局限的瞬时热效应。这种热效应促使电极尖端前方的组织发生微观收缩和热穿孔，为柔性细丝的进入“融”出一条通道，实现平滑植入。由于热穿孔路径与 FEH 的直径（＜100μm）高度匹配，植入过程呈现出一种“隐形”特征。更具创新性的是，该技术具有类似于外科射频止血的机制：射频场引起的热效应使周围微血管壁脱水收缩，并促使血管内血液凝固形成血栓，从而在源头上抑制了植入相关的出血。

为了量化 TFRFP 的动力学过程，研究人员利用鱼肉组织模型进行了体外测试。实验显示，在不开启射频电源的情况下，直径约100μm的柔性电极在接触组织表面时会立即发生机械形变（屈曲），因为穿刺所需的力远高于电极的抗弯刚度。然而，当施加频率为500kHz 、功率为15W的射频场时，FEH 能够以约0.6mm/s的速度顺滑穿透组织，在 15 秒内达到 10mm 的植入深度，且不发生任何机械变形。

红外热成像技术揭示了 TFRFP 的安全性核心：热量的极端局域化。在 15W 功率下，电极尖端周围区域（A3，体积约1mm3 ）的平均温度升高约为 15℃，而电极侧壁周围及远处组织的温度变化几乎可以忽略不计。这种局域化的热效应能够迅速被周围组织耗散，避免了大规模的热损伤。对比实验进一步证实，绝缘层（如 PTFE）对于局域化热效应至关重要。未绝缘的电极在植入时，尖端升温可达 48℃，且侧壁周围组织也会产生显著热应力。细胞实验显示，射频处理 2 小时后，电极尖端区域的成纤维细胞存活率迅速降至 20% 以下（形成穿孔路径），但 24 小时后，由于细胞增殖，周围区域的存活率恢复至 80% 以上，证明了该过程的高度生物相容性和可逆性。

TFRFP 策略的另一大优势是其与多种功能化涂层的兼容性。由于植入是一步完成的，不需要像传统针助法那样撤回辅助工具，因此可以针对不同的应用场景对 FEH 侧壁进行定制化改良。

瞬态增强层（Stiffening Layer）

对于直径极细（如 50μm，弯曲刚度仅为5×10-9Nm2的超柔性电极，谢曦团队开发了一种可溶性明胶涂层。明胶层能临时将电极刚度提升两个数量级（至5×10-7Nm2 ），确保顺利穿过致密表皮。植入后，明胶在体液环境中迅速水化溶解，使电极在 1 分钟内恢复至如同人类毛发般的极柔状态，从而适应肌肉的自由运动。

冷冻保护层（Cryo-layer）

为了进一步降低热敏感区域的损伤风险，研究人员提出在植入前对电极侧壁喷涂制冷剂，形成一层冷冻保护膜。该层在植入过程中吸收电极侧壁产生的多余热量，确保高温仅集中在电极尖端的“破路”区域，实现了“热穿孔、冷保护”的动态平衡。

生物粘合层（Bioadhesive Layer）

传统柔性电极在肌肉收缩时容易发生位移。TFRFP 支持在电极侧壁预涂布生物粘合剂。实验证明，带有粘合涂层的 FEH 在组织中的拔出阻力达到约0.5N，是不带粘合剂电极（＜0.1N）的五倍以上。这种极强的固定能力确保了长期电生理记录的稳定性，解决了柔性器件在动态组织中“挂不住”的顽疾。

在生物医疗领域，任何植入物的“原罪”都是诱发异物反应（FBR）。谢曦团队通过大鼠模型对 TFRFP 的安全性进行了全方位评估。统计数据显示，TFRFP 的植入出血率仅为 18%，远低于 23 G 注射器针头机械穿刺产生的 75% 出血率。这种显著的止血效果归功于射频能量对微血管的瞬时封堵作用，这在微创介入领域具有极高的临床价值。

在为期 10 天的长期观察中，植入 FEH 的大鼠在跑步机测试中的表现（位移63±9m ，受电击次数 13±10 次）与空白对照组几乎一致，显著优于植入硬质电极的负对照组（位移仅 9±8m）。这表明 TFRFP 植入的微型柔性电极不会干扰实验动物的正常运动能力。组织学分析（H&E 染色）显示，TFRFP 组在植入后的前三天表现出轻微的炎症浸润，但在第 10 天炎症基本消退，其炎症水平甚至低于传统的针助植入法。

更深入的信使 RNA 测序（RNA-seq）分析为 TFRFP 的“隐形”特质提供了分子层面的证据。研究识别了多种差异表达基因（DEGs），结果如下表所示：

基因本体（GO）分析确认，TFRFP 引起的基因表达改变主要集中在正常的组织修复和轻微的免疫防御路径上，并未触发大规模的细胞凋亡或灾难性的炎症爆发。这种分子层面的“克制”是柔性电极能够实现长期稳定记录的关键。

为了验证 TFRFP 植入电极在真实生理环境下的表现，研究团队在鼠、兔、猪等多种动物模型上开展了电生理记录实验。在兔子模型中，研究人员将 FEHs 植入到比目鱼肌（SOL）、腓肠肌（GAS）、腓骨长肌（PL）和胫骨前肌（TA）等深层肌肉中，植入深度从10mm 到22mm 不等。在持续 4 小时的坐骨神经刺激实验中，TFRFP 植入电极捕获到了清晰、稳定的肌电图信号，其波形特征与 HNA 组高度重合，证明了射频穿孔过程并未破坏电极的导电完整性。

在为期 4 天的长期记录实验中，FEH 成功捕捉到了兔子苏醒阶段的自发、轻微腿部运动信号。功率谱密度（PSD）分析显示，第一天信号能量均匀分布在 20-600 Hz，第二天起功率逐渐集中在 20-50 Hz 频段，这反映了电极与肌肉界面在愈合过程中的动态演变。此外，在体型更大的巴拿马猪模型中，FEH 进一步展示了其在超深层组织（＞15mm）中记录复杂肌肉活动的能力，证明了该技术从小型啮齿类动物向大型哺乳动物跨越的可行性。

该研究最引人注目的应用在于其与人工智能（AI）模型的深度融合。研究团队构建了一个基于脊髓青蛙模型的智能义肢控制系统。通过 TFRFP 植入的四通道 FEHs 采集青蛙在受到热刺激时的腿部肌肉电信号，并利用摄像头同步追踪其运动轨迹。

团队开发了一种非监督卷积神经网络（CNN）与主成分分析（PCA）级联模型。该模型能够从复杂的肌电特征中提取局部模式和全局结构，将采集到的 EMG 信号精准映射为对应的运动轨迹预测值。其架构包含四个关键阶段：信号预处理、CNN 特征提取、维度压缩及特征匹配。实验结果显示：

多通道显著优于单通道： 四通道 FEH 模式下的运动矢量平均偏差仅为24±20％ ，而单通道模式偏差则高达 138±220％ 。

高精度重构： 预测的踝部终点偏差仅为7±3cm ，角度偏差仅为 7±8。

闭环控制： 预测的轨迹被成功用于驱动机械臂，实现了与青蛙实际腿部动作高度同步的义肢运动。

这一演示验证了 FEH 阵列在捕获高维度神经运动指令方面的潜力。相比于传统的表面肌电（sEMG），肌肉内记录能够有效避免邻近肌肉的信号串扰（Crosstalk），从而为多自由度（DOF）的义肢控制提供更精确的输入。

谢曦团队的这一研究正处于全球脑机接口（BCI）与半植入式医疗设备爆发的前夜。2026 年被视为该行业的“商业化元年”，资本与政策的共振正在推动技术从实验室走向临床。

根据最新的市场研究数据，全球相关领域的发展趋势如下：

目前，该领域的全球领跑者呈现出各具特色的技术路线。Neuralink（Elon Musk 旗下）继续完善其 R1 缝纫机机器人，旨在以微米级精度将上千个聚合物线程植入大脑皮层。然而，这种方案对昂贵的外科机器人和专业手术中心的依赖限制了其普及速度。与之相对的是 Synchron 公司的 Stentrode 血管介入技术。它通过颈静脉将支架式电极送入大脑运动皮层附近的血管，完全避免了开颅手术。虽然这种方案安全性极高，但由于受限于血管路径，其信号空间分辨率较低，目前主要用于发送简单的点击和输入指令。

谢曦团队的 TFRFP 技术提供了一种第三种选择：柔性隐形植入。它不需要复杂的机器人，也不受限于血管路径，而是通过热穿孔直接在目标组织中建立通道。这种方案极大地降低了植入成本，使得“半植入式”设备（电极在内，电路在外）能够像穿耳洞一样简单，同时保留了深层组织采集的高精度优势。

与此同时，其他顶尖团队也在探索不同的能量传递和植入方式。MIT 的 Deblina Sarkar 团队开发了名为“Circulatronics”的纳米级无线生物电子器件。这些微小的器件能够整合活体免疫细胞（如单核细胞），利用其天然的趋炎特性跨越血脑屏障，在炎症区域自主植入。此外，该团队还开发了仅200μm大小的注入式磁电天线，能够利用低频磁场（109kHz）为深层组织植入物提供无线动力，解决了电池寿命的瓶颈。在肌肉传感领域，Phantom Neuro 公司于 2026 年获得了 FDA 突破性设备认定（Breakthrough Designation），其 Phantom X 系统同样聚焦于微创肌肉信号解析，力求实现“神经级精度”的义肢控制。

尽管 TFRFP 技术在动物实验中表现卓越，但要走向大规模人体临床应用，仍需克服多重挑战。

1. 经皮接口的感染风险

作为一种半植入式设备，电极穿透皮肤的位点是潜在的病原体入侵通道。文献显示，半植入式脊髓给药系统（IDDS）的感染率通常在 5-8% 左右，显著高于全植入式的 2%。谢曦团队在文中提到的生物粘合剂不仅能固定电极，还能起到物理屏障的作用，但长期的皮肤相容性和抗菌涂层仍是未来研究的重点。

2. 射频参数的个体化差异

人体的脂肪含量、肌肉密度和皮肤厚度各异，这意味着热穿孔所需的最佳射频功率可能存在显著差异。未来的商用化产品可能需要集成实时的组织阻抗反馈系统。参考美敦力（Medtronic）在神经调控领域的经验，动态调整射频能量将是确保医疗安全的关键。

3. 生物污垢与信号衰减

长期植入物面临的最主要问题是纤维化包膜（Scar formation）和生物污垢（Biofouling）。当电极被厚厚的疤痕组织包围时，其记录阻抗会升高，导致信噪比下降。谢曦团队采用的 PTFE 绝缘层和柔性材料设计已显著降低了这一风险，但针对人类长达数年的使用周期，仍需进一步的验证。

4. 监管与伦理红线

2026 年，多个国家已开始起草针对神经数据的安全协议。脑机接口不仅涉及隐私，还涉及心理完整性以及认知增强带来的社会公平性问题。如何在推动创新的同时，确保“思维隐私”不被侵犯，将是摆在研究界和监管部门面前的长期课题。

结语：人体数字化的“微纤维”时代

中山大学谢曦教授团队的研究不仅展示了一项巧妙的植入技术，更揭示了生物电子学的一个未来趋势：设备将变得越来越“无形”。从庞大的硬质电极到纤细的“柔性毛发”，从暴力穿刺到精准的热微融植入，科学正在以前所未有的方式模糊生物与机器的界限。

正如《麻省理工科技评论》在 2026 年“十大突破性技术”中所预测的那样，AI 与生物电子的融合正在将医疗从“治疗驱动”转向“数据驱动”。谢曦团队的柔性电子毛发，正是编织这一未来数字化人体网络的重要一环。通过将计算能力（AI）与高保真的生物界面（FEH）相结合，我们正在进入一个运动功能可以被重构、健康状态可以被实时感知的新纪元。

未来，这种半植入式的柔性电子毛发或许会像纹身一样普遍。它可能出现在康复科，帮助残疾患者重新获得精准的手指抓握能力；也可能出现在运动员的腿部，实时监测肌肉疲劳并提供反馈；甚至可能作为一种新型的人机接口，让我们通过肌肉的微小收缩就能控制复杂的数字世界。这是一场从深层肌肉发起的无声革命，而 TFRFP 技术，正是开启这道大门的钥匙。

https://www.nature.com/articles/s44460-025-00004-0

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