传递到皮肤上的神经电信号往往会衰减到非常微弱的水平，极易受到环境和身体运动的干扰。同时，为全面了解认知神经传导，需要对神经信号进行多模态感知，如磁共振成像（MRI）和功能近红外光谱（fNIRS）等。然而传统金属、导电聚合物电极既不能提供共形贴肤特性以精确传感神经电信号，也不能在光、磁情况下进行多模态成像。

近日，永利欢乐娱人城刘楠课题组报道了一种约20 nm厚的MXene薄膜，能够检测电生理信号且与MRI和fNIRS兼容。该薄膜由聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）交联MXene制成，具有高电导率和透明度（11000 S/cm @ 89%）。其中，PEDOT:PSS不仅起到交联稳定MXene薄膜的作用，而且缩短了层间距离，实现了有效的电荷转移和高透明度。因此，它可以实现与皮肤或神经表面的低界面阻抗，以准确记录电生理信号（图1）。

图1. 超薄薄膜设计示意及相关性能

通过聚焦离子束刻蚀-高分辨透射电子显微镜（FIB-HRTEM）以及掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等多种实验手段证明PEDOT:PSS交联前后的MXene层间距离及排列变化。为进一步理解层间交联的机制，还通过密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了MXene与PEDOT:PSS的相互作用机理（图2）。

图2. 相关结构分析及理论计算

得益于超薄的厚度（~20 nm），该薄膜可以很容易地转移到不同的纹理表面贴附，从而促进界面粘附/稳定。这种超共形特性加之优异的导电性和赝电容优势，使得MXene薄膜与皮肤之间的电子-离子传导得以显著提升。该薄膜还具有与MRI、fNIRS良好的兼容性，可以实现多模态认知神经监测（如图3所示）。

图3. 多模态认知监测方面的应用

该论文的第一作者为宋德魁博士。该研究得到了韩国延世大学Kwanpyo Kim教授团队在FIB-HRTEM方面的大力支持，美国斯坦福大学Hongping Yan博士和Song Zhang博士在GIWAXS方面的帮助以及永利欢乐娱人城认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明教授课题组在fNIRS及多模态认知神经监测方面的支持与帮助。该研究还获得了国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

An Ultra-thin MXene Film for Multimodal Sensing of Neuroelectrical Signals with Artifacts Removal, Adv. Mater. 2023, 202304956.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304956