生物电极是生物组织与电子设备之间进行信号转导的接口，用于脑
-
机接口与生物传感等领域。
然而，生物电极在复杂生理环境下同步实现高电学性能和高稳定性仍然是一个重大挑战：
传统的可极化电极（如金电极和碳电极）提供了优异的电导率、化学稳定性和耐用性，但由于高阻抗和高截止频率，它们在电生理信号捕获中表现较差；非可极化电极通过引入氧化还原反应，具有低阻抗的优势，但其化学和电稳定性较差。例如，导电高分子电极在复杂生理环境下仍容易发生去掺杂或部分降解现象，
严重限制了其在需要长期植入以及需要双
-
向脑机交互的应用场景中的使用
，特别是对于组织免疫反应产生的
H
2
O
2
、生理环境的
pH
变化以及神经调制时的电刺激。
图
1.
导电高分子电极
(CP)
、还原氧化石墨烯电极
(rGO)
、多孔石墨烯纳米筛电极
(HG)
与复合电极
(CP/HG)
的对比。
CP
电极阻抗低，但稳定性差。
rGO
电极稳定性高，但离子和分子扩散阻抗高（或密实度低）。
HG
电极离子扩散阻抗低，但分子扩散阻抗高且电子电导率低。
CP/HG
电极可以兼顾低阻抗、高电子电导、高稳定性和高密实度。
针对以上问题，
南京理工大学
傅佳骏
/
姚博文
团队
提出电荷转移路径解耦策略
，向导电高分子
(CP)
网络中引入多孔石墨烯纳米筛
(HG)
，
脱耦电子传输与电子
-
离子转导路径
，
在保证导电高分子电极电学性能的前提下，显著提升了电极耐极端环境的能力（
图
1
）。该工作以
“A General Strategy for Exceptionally Robust Conducting Polymer-Based Bioelectrodes with Multimodal Capabilities Through Decoupled Charge Transport Mechanisms”
为题发表在《
Advanced Materials
》上
(
Adv. Mater.
2025, 2417827)
。文章第一作者是南京理工大学博士研究生耿宇豪。
首先，文章对导电高分子电极在常见的生理和电学环境下的失效机制进行了详细研究，证明了导电高分子发生了去掺杂和部分降解，使得体系的导电渗流网路被破坏，被割裂成无法互相连接的“海岛”。随后，向体系中引入多孔石墨烯纳米筛
HG
，
HG
不仅能够恢复导电高分子的电子传输路径，并且其高孔隙率确保了高效的离子和生物分子扩散动力学，从而保证了电极的低阻抗、高电荷注入能力和生化传感性能。因此，复合电极在电生理信号捕获、神经调制和生化传感等应用中表现出卓越的综合性能（
图
2
），显著优于还原氧化石墨烯电极、导电高分子电极、石墨烯表面修饰的导电高分子电极以及普通还原石墨烯
-
导电高分子复合电极。
图
2.
CP/HG
复合电极在双向离子
-
电子转导中的应用。
a-c,
复合电极作为传感电极，实现肌电信号传感，用于手势识别；
d,
CP/HG
和
CP
电极的稳定性。
CP
电极在负电位下会发生去掺杂，导电性显著降低，无法实现析氢。
e-l,
复合电极作为高稳定的刺激电极，实现植物
(e)
、心脏
(f-h)
以及心肌细胞
(i-l)
的神经调制。相比而言，纯
CP
电极则无法在高电流密度下工作
(h)
。
文章所提出的策略以及复合电极的具体优势如下：
（
1
）优异的电子电导率、阻抗性能以及密实度：
该电极具有高电导率
(~2.1×10
5
S m
−1
)
和低阻抗
(~4310 Ω cm
2
，高透光率：
~82.5%)
，优于先前报告的透明生物电极，包括金
(Au)
、还原氧化石墨烯
(rGO)
、氧化锌
/
二氧化锰（
ZnO/MnO₂
）、导电聚合物银纳米纤维（
CP-AgNFs
）、氧化铟锡
(ITO)
和
PEDOT:PSS
电极。
图
3.
CP/HG
复合电极的显微镜照片以及其导电性与其它典型生物电极的对比。
（
2
）高电荷注入能力：
CP/HG
电极具有高电荷注入能力
(0.2 mC cm
−2
)
，明显高于纯石墨烯
(0.04 mC cm
−
²)
和
CP/rGO (0.13 mC cm
−2
)
电极（
图
4
）。在
2.5 A cm
−2
交流电流密度的刺激下，经过
10
4
次循环后，复合电极的开路电位仍然稳定，优于纯
CP
电极。
图
4.
CP/HG
微电极的显微镜照片以及其离子注入能力的表征。
