第70期“见微知著”培训课程：微电极及生物医疗应用

麦姆斯咨询　｜　2025-05-23至2025-05-25　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：穿戴式/植入式微针电极阵列及生物医疗应用

老师：北京大学 教授 李志宏（点此查看老师简介）

微针电极（Microneedle Electrodes）是指以微尺度针状形式设计、能够部分或完全穿透皮肤表层，以实现电生理/电化学信号采集或电刺激功能的微结构器件，广泛用于穿戴式/植入式传感器、神经科学与脑机接口等领域。穿戴式/可植式微针电极阵列的关键优点是可连续检测人体内某些随时间变化的重要生理或病理参数，例如心电/肌电/眼电/脑电信号，从而获得更直接、更准确的诊疗效果。由美国犹他大学提出的犹他电极阵列（Utah Electrode Array，UEA）是微针电极阵列的一个典型代表，其独特的三维针状结构使每个电极具有高时空分辨率的同时相互之间有良好的绝缘，植入后的电极尖端只作用于周围一小群神经元，甚至可以记录单个神经元的放电活动。随着MEMS技术的发展，微针电极阵列在生物相容性、机械柔顺性、长期稳定性和分辨率等方面有了极大的提升，并可通过机械穿透、物理接触或化学功能化方式与生物组织实现电、生化、力学等多模态信号交互，因此获得了生物医疗应用领域的广泛青睐。本课程首先介绍生物MEMS及穿戴式/植入式生物传感器基础知识，然后阐述微针电极阵列技术及生物医疗应用，接着详解穿戴式/植入式微针电极阵列结构设计、材料和制造工艺，最后总结与展望微针电极阵列技术。

课程提纲：

1. 生物MEMS及穿戴式/植入式生物传感器；

2. 微针电极阵列技术及生物医疗应用：覆盖心电/肌电/眼电/脑电等；

3. 穿戴式电极阵列结构设计、材料和制造工艺；

4. 植入式电极阵列结构设计、材料和制造工艺；

5. 微针电极阵列技术总结与展望。

课程二：柔性神经电极与神经刺激

老师：深圳市中科先见医疗科技有限公司 创始人兼总经理 吴天准（点此查看老师简介）

脑机接口（BCI）是指在人或动物脑与计算机或其它电子设备之间建立的连接通路，实现了脑与外部设备的直接交互，在认识脑、保护脑和模拟脑方面有着重要的作用，尤其是可用于治疗患有神经系统疾病的患者，使他们受损的运动和感知等功能得以恢复。神经电极作为脑机接口的核心部分，是与神经元相互作用的电生理器件，可以用来记录或干预神经活动状态。由于传统的刚性神经电极容易对脑组织造成不同程度的损伤，因而许多科研人员着手研究对脑组织损伤程度更低的柔性神经电极。在脑机接口应用中，柔性神经电极需要被贴附在脑组织表面，采集的信号来自于神经元群活动反映在大脑皮层的电场波动。这种技术的核心原理利用了大脑活动产生的电场变化，电极能够灵敏地捕捉这些微小的电场波动，即皮层脑电图（ECoG）信号。根据触点大小，柔性神经电极主要分为宏电极和微电极两大类，前者触点通常在毫米级别，而后者触点则在数微米到数百微米之间。由于柔性微电极阵列既能以高密度集成在微小的空间内，同时也能更好地适应大脑的不规则表面，以实现更精确的区域定位和高分辨率信号采集，因此正逐渐成为神经科学研究和临床应用的重要发展方向。本课程首先概述神经电极与神经假体，然后详解柔性神经电极关键技术（基质材料、制造工艺、表界面修饰）、应用领域和临床意义，最后介绍中科先见脑机接口基地及核心技术服务。

课程提纲：

1. 神经电极与神经假体概述；

2. 柔性神经电极应用领域和临床意义；

3. 柔性神经电极基质材料及其工艺性能；

4. 柔性神经电极表界面修饰；

5. 基于神经电极的典型神经刺激系统；

6. 中科先见脑机接口基地及核心技术服务。

课程三：超柔性神经电极及脑机接口

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 魏晓玲（点此查看老师简介）

超柔性神经电极是指厚度极薄、弯曲刚度极低、与软组织力学特性匹配的植入式微电极，用于实现对神经信号的高灵敏检测或有效电刺激。超柔性神经电极是脑科学研究领域的一项重要工具。大脑神经系统是由数十亿个神经元所组成的复杂系统，由于神经元依靠“脉冲放电”和“神经递质释放”两种基本模式来完成生物信息的传递与整合功能，因此将电生理和电化学两种信号检测功能集成于超柔性神经电极以实现原位、同步、实时的双模检测分析，在脑机接口（BCI）、脑神经疾病诊疗方面具有重要的应用前景。尤其在脑机接口方面，单一功能的神经电极已难以满足对神经环路信息处理机制的全面探究，而能够同步实现神经信号检测和神经电刺激的多功能超柔性神经电极，在实现高时间/空间分辨率的闭环神经调控中展现出关键作用。近些年，随着认知神经科学、信息科学以及神经电极技术的突飞猛进，脑机接口已成为科学界和产业界的双重热点，并从最初的理论研究走向了当前的临床应用，孕育出众多创新创业公司，例如Neuralink、Precision Neuroscience、Blackrock Neurotech、脑虎科技、衷华脑机、阶梯医疗。脑机接口作为新质生产力的代表性领域之一，是生命科学和信息技术深度交叉融合的前沿领域，也是未来产业发展的重要方向。本课程首先概述神经电极类型与发展，然后详解超柔性神经电极关键技术（材料、设计、制备、修饰）及应用（脑机接口、多模态检测与调控），最后针对基于神经电极的脑机接口进行总结与展望。

课程提纲：

1. 神经电极类型与发展概述；

2. 超柔性神经电极材料与设计；

3. 超柔性神经电极制备与修饰；

4. 基于超柔性神经电极的脑机接口；

5. 基于超柔性深脑电极的多模态检测与调控；

6. 基于神经电极的脑机接口总结与展望。

课程四：无创脑机接口电极与神经界面

老师：湖南工业大学 副教授 李广利（点此查看老师简介）

作为一项前沿性、颠覆性技术，脑机接口（BCI）在大脑与外部设备之间建立直接信息通路以实现脑与设备的信息交换。脑机接口是全球争相竞争的科技前沿之一，已成为主要大国培育经济发展新动能、打造竞争新优势的未来产业领域。非侵入脑机接口因其安全、无创的优势，应用场景更加多元化，适合大规模商用和消费级应用。无创脑机接口电极主要负责采集脑神经信号，直接影响脑机接口系统整体性能。值得强调的是，无创脑机接口电极的终极目标在于实现“无感化穿戴”与“神经信息高保真”的辩证统一，这需要以系统工程思维统筹材料学、生物力学、计算科学等多学科的交叉创新。本课程系统地梳理近年来无创脑机接口电极的研究进展，重点介绍湿电极、干电极和半干电极的设计原理和关键性能，并客观分析其优缺点；同时前瞻分析无创脑机接口电极面临的机遇和挑战，对三种典型电极的发展方向进行展望。本课程为新型无创脑机接口电极的开发提供技术支撑和思路启发，对推动脑机接口新质生产力的发展具有重要意义。

课程提纲：

1. 脑机接口发展路线：有创 vs. 无创；

2. 无创脑机接口电极与神经界面；

3. 无创脑机接口湿电极技术；

4. 无创脑机接口干电极研究进展；

5. 无创脑机接口半干电极研究进展；

6. 无创脑机接口柔性电极研究进展；

7. 无创脑机接口电极商业化进展；

8. 无创脑机接口电极的机遇与挑战。

课程五：柔性功能电极及可植入/可穿戴电化学传感器

老师：华中科技大学 教授 肖菲（点此查看老师简介）

柔性功能电极是一种以柔性基底为支撑，具备良好的机械柔顺性、优异的导电性及多功能集成能力的界面型器件，适用于贴合人体或植入组织的电化学传感系统，在健康监测、疾病诊疗、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。随着微纳米技术的不断发展，基于柔性基底材料的电极制造方法日益成熟，主要包括打印、紫外光刻和磁控溅射等。与传统的刚性电极相比，柔性电极更适合连续、实时、动态的生理信息监测（例如人体体液中的葡萄糖、乳酸、尿酸等），因此在可穿戴/可植入传感器方面大有可为。目前，可穿戴/可植入电化学传感器的发展已不限于分子水平上的人体生理健康指标监测，还能与多种物理传感器集成，提供人体心率、血压、温度等信息，甚至与经皮给药模块相结合，实现疾病的实时监测、诊断和治疗。随着信息技术的快速发展，可穿戴/可植入传感器还能将采集的生理信息快速处理并通过无线方式上传到云端以建立大数据库。医院或研究所通过大数据库可对获取的生理数据进行分析诊断，进而给出个人身体状况结果和有效的健康管理或疾病治疗方案，为个性化医疗保健领域的发展提供支持。本课程首先概述柔性功能电极基础知识，然后详解柔性功能电极关键技术（材料选择、结构设计、制造、修饰）及应用（可植入/可穿戴电化学传感器），最后针对柔性功能电极进行总结与展望。

课程提纲：

1. 柔性功能电极概述；

2. 柔性功能电极材料选择与结构设计；

3. 柔性功能电极制造与修饰；

4. 基于柔性功能电极的可植入/可穿戴电化学传感器；

5. 柔性电化学传感器在生物医疗领域的应用；

6. 柔性功能电极总结与展望。

课程六：基于水凝胶-电极界面的多模态传感器及人体健康监测

老师：东南大学 教授 刘宏（点此查看老师简介）

水凝胶是一类具有亲水基团的三维网络结构聚合物，能够在水中迅速溶胀并保持大量水分而不溶解，具有优异的柔性、延展性、界面粘性、自愈合性和生物相容性等特征。此外，水凝胶还可通过引入离子或导电材料等方式获得良好的导电性，现已成为构筑柔性电子器件的重要功能材料。近年来，水凝胶在穿戴式传感器领域受到广泛关注，通过将水凝胶的离子导电特性与多功能电极技术融合（水凝胶在电极与皮肤/组织之间形成稳定、低阻抗、柔软贴合的接口），可以同时或交替检测多种生理信号（例如电、生化、力学、温度），从而实现对人体健康的多维度、连续监测，典型应用场景如心血管监护（涉及心电、血压等）、代谢健康管理（涉及葡萄糖、乳酸、汗液离子等）、康复与运动监测（涉及肌电、关节应力、体温等）。本课程从人体健康监测需求出发，详解基于水凝胶-电极界面的多模态传感器关键技术及应用，最后进行技术总结与展望。

课程提纲：

1. 穿戴式传感器及人体健康监测；

2. 柔性传感器电极的构建；

3. 水凝胶-电极界面设计与制造；

4. 基于水凝胶-电极界面的多模态传感器；

5. 基于多模态传感器的穿戴式人体健康监测；

6. 技术总结与展望。

课程七：水凝胶-电极传感器及生物医疗监测

老师：首都医科大学 教授 陈月月（点此查看老师简介）

传统的生物电极由于物理形态刚性、界面阻抗不稳定等因素，因此在穿戴舒适性和信号长期稳定性方面具有较大挑战。水凝胶具有与生物组织相匹配的力学特性、高含水性、优异的界面黏附能力以及良好的生物相容性，可用于生物信号的高质量长期监测。水凝胶-电极传感器是一种基于导电水凝胶与柔性电极集成界面构建的检测装置，作为新一代柔性生物传感技术平台，其充分融合了水凝胶材料的生物相容性与电极的电信号转换能力，在健康监测、疾病诊断、微生物监测等场景中展现出巨大应用前景。通过多功能材料集成与微纳加工手段的协同优化，这类传感器正朝着微型化、多模态、智能化等方向演进，逐渐成为可穿戴健康监测系统的关键接口技术之一。本课程首先概述基于水凝胶-电极的可穿戴传感器及其健康监测原理，然后讲解水凝胶-电极传感器在病原微生物监测、连续无创血糖监测、肿瘤标志物监测方面的应用，最后总结技术发展和临床转化情况。

课程提纲：

1. 基于水凝胶-电极的可穿戴传感器概述；

2. 如何构建水凝胶-电极并实现健康监测；

3. 水凝胶-电极传感器应用于病原微生物监测；

4. 水凝胶-电极传感器应用于连续无创血糖监测；

5. 水凝胶-电极传感器应用于肿瘤标志物监测；

6. 可穿戴水凝胶-电极传感器的技术发展和临床转化。

课程八：电化学传感器微电极及生理指标监测

老师：杭州师范大学 教授 陈大竞（点此查看老师简介）

电化学传感器是利用电极检测化学反应过程中的电流、电压、电荷或阻抗变化，从而定性或定量分析目标物质浓度的传感装置，广泛应用于健康监测、环境分析、食品安全等领域。得益于MEMS技术的发展，集成微电极的小型电化学传感器可以集成于各种类型的可穿戴设备，以即时检测与分析体内代谢物、生物标志物、药物浓度等。例如，“微针”电极能够突破皮肤屏障，增强皮肤渗透性，以微创、无痛的方式接触组织间质液（含有葡萄糖、电解质、蛋白质、脂肪酸等分析物），并且极小的电极尺寸可增强电化学反应界面性能，提升分析物检测精度与响应速度，因此在连续血糖监测领域极具发展潜力。通过与功能材料、生物识别分子、微纳加工技术及人工智能的结合，微电极传感器正在加速拓展代谢监测、神经科学、疾病诊断等生物医疗应用领域。本课程从电化学传感器电极体系出发，重点讲解微电极的材料制备与修饰工艺，以及两项生理指标监测应用，最后介绍微电极传感器前沿应用和产业化挑战。

课程提纲：

1. 电化学传感器电极体系结构；

2. 微电极的材料制备与修饰工艺；

3. 微电极应用（一）：连续血糖监测；

4. 微电极应用（二）：汗液中标志物测量；

5. 微电极传感器前沿应用和产业化挑战。

课程九：基于微电极的生物医疗传感器

老师：华东理工大学 副教授 殷瑞雪（点此查看老师简介）

按照信号转换原理，基于物理传感原理的微电极可分为电阻抗型、电阻型、电容型等类别。电阻抗型微电极适用于交流电场下的界面动力学分析，应用示例包括肌电监测、眼电检测、器官芯片等；电阻型微电极通过检测直流电阻反映介质导电性或结构变化，应用示例包括汗液监测、呼吸监测等；电容型微电极对界面结构变化高度敏感，应用示例包括眼压监测、血糖监测等。这些微电极类别在信号检测灵敏度、响应时间、生物兼容性及系统复杂度方面各具特点，适用于不同的生物医疗传感器。本课程从基于微电极的生物医疗传感器工作原理出发，详细讲解微电极的微纳3D打印技术，以及基于微电极的可穿戴/可植入传感器，涉及生理信号从眼电、肌电到眼压、血糖，最后展望技术趋势及产业化挑战。

课程提纲：

1. 基于微电极的生物医疗传感器工作原理（电容、电阻、电阻抗）；

2. 基于微纳3D打印的微电极制造技术；

3. 基于微电极的可穿戴传感器及其应用举例（眼电、肌电/肌音、血糖）；

4. 基于微电极的可植入传感器及其应用举例（眼压、血糖）；

5. 基于微电极的生物医疗传感器展望及产业化挑战。

课程十：生物信号的微电极检测及医学传感应用

老师：南京师范大学 副教授 高涛（点此查看老师简介）

融合生物和电路双特征模式的生物电化学研究有望改变生物物理、生化分析、生物信息融合、生物医学工程等基础与应用领域的研究面貌，生物电分析技术的突破是实现这一愿景的关键。然而，生物信号转导与电子信号传递使用两种截然不同的“语言”系统，如何在“生物-器件”微纳传感界面上耦合生物语言和电子信号语言，是实现“生物-电子”信号交互的基础。微电极凭借其小尺寸、高灵敏度、高空间分辨率等特点，广泛应用于细胞、组织、器官甚至全动物水平的电生理信号与电化学信号的采集。电生理信号的微电极可用于脑电/心电监测、神经/心脏疾病诊断等领域，其检测原理是：首先利用微电极检测出生物电的电位变化，再经由生物电放大器进行低噪声放大，最终实现高时空分辨率的生物电活动监测。电化学信号的微电极可用于神经递质分析、细胞代谢分析、疾病标志物监测等领域，其检测原理是：目标分析物首先与固定化的生物敏感膜发生特异性结合，进而引发可测的电化学反应，通过微电极高效的电荷传输能力与表面修饰特性，将反应产生的电子流转化为与目标分析物浓度成正比的电信号，再经由信号处理电路放大输出，最终实现对生物分子的快速、灵敏检测。本课程内容以生命体系中的电活性分子、电子传递链、电活性细胞等作为研究对象，解析生命体系的质荷传输及其反应机理，探究跨“生物-器件”微纳界面的质荷传输机制和特性，从而构建生物电子器件与微纳功能界面，进行生物活体的信号获取和功能调控研究，为面向生命健康的生物电子元件、生物传感器和医学诊疗技术开发提供跨学科理论基础与技术创新。

课程提纲：

1. 生物信号转导原理与机制；

2. 基于微电极的电化学检测基础；

3. 微电极的生物传感界面设计；

4. 微电极检测及生物信号获取；

5. 基于微电极检测的医学传感应用。

课程十一：微电极阵列及生物电阻抗检测

老师：东南大学 教授 朱真（点此查看老师简介）

生物电阻抗法是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与生理、病理状况相关的生物医学信息的检测方法。它借助电极系统向检测目标施加幅值较小的交流激励，并使用扫频的方式测量每种频率下检测目标对应的电阻抗值，具有无创、廉价、操作简单、功能信息丰富等特点。生物电阻抗法还可以利用微电极阵列（MEA）检测生物细胞的电导率和介电常数，并引入电介质物理模型的数值计算，获得细胞外液、细胞膜和细胞质的电学信息，由此来区分不同种类的细胞。微流控（Microfluidics）是一种利用具有微米级特征结构的芯片来操控微尺度流体的技术，可以把生化样品制备、反应、分离、检测等基本操作集成于一体，实现高度自动化的芯片实验室（Lab-on-a-chip）。近年来，微电极阵列与微流控技术的结合，成为生物传感、细胞分析、器官芯片、药物筛选、组织工程等领域的重要发展趋势。集成微电极阵列的微流控系统兼具电信号实时监测与微环境动态调控能力，极大提升了对微环境中细胞功能、电活动及分子交换的解析能力。本课程从生物电阻抗理论和模型出发，详解微弱生物信号检测与锁相放大器，剖析集成微电极阵列的微流控生物电阻抗传感系统，最后还介绍多模态电阻抗融合感知技术。

课程提纲：

1. 复阻抗理论及生物电阻抗模型；

2. 微弱信号检测与锁相放大器；

3. 集成微电极阵列的微流控生物电阻抗传感系统；

4. 基础生物单元多阶生命体征的电阻抗检测方法；

5. 复杂生物系统的多模态电阻抗融合感知技术。

课程十二：微电极阵列及器官芯片

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 副研究员 葛玉卿（点此查看老师简介）

器官芯片（Organ-on-a-Chip）是一种在芯片上构建的人体器官生理微系统，包含有活体细胞、组织界面、生物流体和机械力等关键要素。它以微流控芯片为核心，可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞的器官微环境，反映人体器官的主要结构和功能特征。这种微缩的器官模型不仅可在体外接近真实地重现人体器官的生理、病理活动，还可能使研究人员以前所未有的方式来见证和研究机体的各种生物学行为，预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应。微电极阵列（MEA）是指将多个微电极以一定几何规则布置在基底上，实现多通道同时检测或刺激功能的电子器件。微电极阵列最早由哈佛医学院Thomas等人于1972年提出，用于体外培养心肌细胞的电活动监测。如今，研究人员已在器官芯片上集成微电极阵列并通过生物电阻抗法实现了对细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官存活状态的非侵入、原位、持续监测，可用于评估药物或环境污染物对人体器官的影响。本课程首先概述生物传感与器官芯片基础知识，然后介绍微电极阵列的构建和应用，重点讲授集成微电极阵列的心/脑器官芯片，最后分析多器官芯片的挑战与机遇。

课程提纲：

1. 生物传感与器官芯片概述；

2. 微电极阵列的构建和应用；

3. 集成微电极阵列的心器官芯片；

4. 集成微电极阵列的脑器官芯片；

5. 集成微电极阵列的多器官芯片：挑战与机遇。

六、培训报名及培训赞助咨询

报名咨询：请发送电子邮件至BISainan@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：报名+微电极及生物医疗应用+单位简称+人数。

培训赞助：请致电联系毕女士（18921125675），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

麦姆斯咨询
联系人：毕女士
电话：18921125675
E-mail：BISainan@MEMSConsulting.com