2025年6月10日，清华大学生物医学工程学院刘冉研究员团队与高小榕教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces在线发表题为“MXene-based Microneedle Electrode for Brain-Computer Interface in Diverse Scenarios”的研究论文。团队开发出良好生物兼容性的碳基MXene微针脑电电极，具有高导电、超稳定低接触阻抗，并有出色的抗震动性能和核磁兼容性，可在多种复杂应用场景下实现稳定可靠的生理电信号采集，特别可用于智能驾驶场景、核磁同步脑电时空高分辨率脑信息获取，也为脑机接口设备走向日常化、实用化提供了关键器件技术与系统解决方案。

研究提出一种新型的干电极设计方案，结合先进的表面修饰策略，使具有超微三维结构的电极在维持高导电性与生物相容性的同时，具备优异的结构稳定性与环境适应性。在随机震动输入条件下，电极依然能稳定采集EEG信号，任务态脑电频谱保持清晰，并验证了其在移动环境下的抗干扰能力，适用于可穿戴脑机接口系统的户外或动态场景。

图1 多场景兼容的BCI微针电极构造与使用示意

研究进一步系统验证了碳基微针电极在高磁场与神经刺激环境中的兼容性和安全性。在MRI测试中，微针电极在T1与T2加权序列下均未产生明显伪影，并在扫描过程中无温升风险，展现出良好的核磁共振兼容性。同时，在经颅磁刺激TMS实验中，电极在强磁脉冲干预下依然保持信号稳定，适用于影像与脑电同步采集。生物相容性方面，细胞培养结果显示微针电极表面可良好支持细胞黏附与增殖，7天内无明显毒性反应，进一步结合真实佩戴场景测试，验证了其长时间使用下的皮肤适应性与应用安全性，为未来在“脑影像+脑电+脑调控”的多模态神经接口系统中推广应用奠定了坚实基础，未来可广泛应用于神经科学基础研究、术中监测、精神疾病评估等多个临床与科研场景。

图2 碳基微针电极的生物相容性与磁共振兼容性测试

为验证电极在动态环境下的适应能力，研究系统评估了碳基微针脑电电极在多种震动条件和真实运动状态下的稳定性表现。通过搭建振动平台并施加随机频率输入，结果显示微针电极在高频震动下依然可稳定采集清晰的脑电信号，识别准确率显著优于传统导电膏电极。进一步的行走与慢跑实验表明，微针电极在运动过程中能够保持低且稳定的接触阻抗，信号质量无明显伪影或漂移，展现出优异的抗震动性能。相比传统电极，其在包括后枕区域等高干扰导联下仍表现出良好的稳定性，证明其高度适配可穿戴脑机接口系统在日常走动、跑步等动态场景中的使用需求。

图3 碳基微针电极在智能驾驶高震动干扰环境中的BCI任务表现

碳基微针电极在脑机接口应用中展现出多项关键优势：其结构稳固、具备优异的抗震动能力，可在动态环境中稳定采集高质量信号；同时具备良好的核磁共振（MRI）兼容性，支持影像与神经信号的同步获取。电极支持脑电（EEG）、心电（ECG）与肌电（EMG）等多模态信号采集，一体化设计显著拓展了功能边界。在使用体验方面，电极无需刮发或额外贴片，即可在长发状态下实现可靠信号输入；同时具备低刺激性与高舒适度，支持长达12小时的连续佩戴且佩戴后皮肤无明显异常。系统还可实现高效的SSVEP脑控输入，支持多导联配置，适用于复杂应用场景。

本研究主要作者为清华大学生物医学工程院陈遇秋、范子笑、史楠林、成炳希、黄常兴、刘晓凯、高小榕、刘冉。该研究得到国家科技部重点研发计划及国家自然科学基金的支持。