《Small Methods》：Vertically Aligned Nanopillar Electrodes: Engineered Interfaces for Electrophysiology and Cell-Electrode Coupling
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垂直排列纳米柱结构凭借其高比表面积、高纵横比、小尺寸及优异的电学、力学与光学特性，在众多领域得到广泛研究与开发。其中，该类结构独特的界面特性使其成为生物生理检测的理想电极材料。本综述系统探讨了垂直排列纳米柱电极的制备技术及其日益增长的应用，重点关注其在电生理传
垂直排列纳米柱结构凭借其高比表面积、高纵横比、小尺寸及优异的电学、力学与光学特性，在众多领域得到广泛研究与开发。其中，该类结构独特的界面特性使其成为生物生理检测的理想电极材料。本综述系统探讨了垂直排列纳米柱电极的制备技术及其日益增长的应用，重点关注其在电生理传感方面的功能。综述首先概述了此类电极可实现的生物物理检测，包括心电图（ECG）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、眼电图（EOG）及温度监测。研究人员依据导电性、粘附性、透气性、生物相容性、生物可降解性及柔性等指标，对侵入式与非侵入式垂直排列纳米柱电极进行了分类与评价。文章考察了多种材料体系，包括金属基、碳基及聚合物基电极，每种材料均对整体性能具有独特贡献。研究人员重点介绍了光刻技术及采用多孔阳极氧化铝（PAA）与多孔硅（pSi）的模板辅助合成方法，这些方法在精确控制几何形貌与表面特性方面具有优势。综述最后评估了实际应用，强调了垂直排列纳米柱电极在电生理测量中增强的性能表现。
1 引言
人体各器官与组织的活动与功能受电位变化调控，此类电信号被称为电生理（EP）信号，其在调节神经系统组织与器官功能中起关键作用。体内电活性细胞持续传输电信号，形成覆盖全身的波动电场，使得研究人员能够从不同组织与器官检测到电生理信号。检测这些信号可反映人体生理状态，为制定个性化、及时且精准的治疗方案提供关键信息。生物物理测量在疾病诊断与健康监测中的应用已深刻变革医疗模式，主要电生理技术包括心电图（ECG）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、眼电图（EOG）及胃电图（EGG）。例如，ECG是评估各类心律失常的高效便捷手段；EEG作为无创脑活动监测技术，广泛应用于疲劳检测、睡眠监护及精神疾病评估；EMG则用于神经肌肉系统损伤后的肌肉功能评估与康复过程监测。从早期疾病筛查到个性化干预，电生理测量的整合有望重塑临床实践并实现动态健康评估。现代电生理技术已从早期侵入式向可靠的非侵入式发展，成为医院与家庭场景中疾病诊断与患者监护的基石。然而，准确实时采集电生理信号仍具挑战性，因其幅值低、易受噪声与外部干扰影响且具有空间分布特性。在非侵入式记录中，信号穿过皮肤、骨骼及体液等生物层时会发生衰减与畸变，引入阻抗失配与频率依赖性滤波效应。因此，可靠的生理信息提取需要电极具备高灵敏度、低噪声特性及稳定的组织-电极界面。数十年来，电极材料、表面与界面工程及信号调理方法的持续进步推动了该领域发展，研究人员开发了基于纳米颗粒、纳米纤维、海绵、纳米线、纳米柱、导电聚合物及水凝胶的高灵敏柔性生物物理电极，旨在不牺牲粘附性与可穿戴性的前提下提升电学性能。垂直排列纳米柱电极在改善信号采集与增强生物组织界面粘附方面展现出巨大潜力，加速了其在可穿戴健康监测与居家诊断系统中的应用。本综述将纳米柱定义为锚定于基底的垂直取向纳米级柱状结构，直径通常为数十至数百纳米，高度为数百纳米至数微米，具有中等至高纵横比。此类结构可提供稳定的电学界面并增加与生物系统的表面相互作用。尽管已有综述详细分析了各类柔性可穿戴电极，但针对垂直排列纳米柱电极这一特定类别的关注有限。因此，本综述详细总结了该领域的最新进展，涵盖材料、类型、制备方法及生物物理测量应用，并展望了其发展前景。
2 电生理测量类型
生物物理测量在临床诊断、生理监测及可穿戴医疗技术中处于核心地位。ECG、EEG、EMG、EOG及温度监测是最常用的模态，分别提供心脏、脑部、肌肉、眼部活动及体温的关键信息。这些技术虽信号来源、幅值与采集部位各异，但均对界面有共同要求：低接触阻抗、低运动伪影、共形皮肤接触、长期舒适性及最小刺激。这些考量对连续可穿戴监测尤为重要，电极性能高度依赖于界面设计。理解生物物理信号需求与电极界面工程的关系，对于评估垂直排列表面结构在改善信号采集中的作用至关重要。ECG作为心血管疾病诊断的核心工具，典型信号幅值为10 μV至4 mV，标准采集带宽为0.05–150 Hz，对皮肤接触稳定性与抗运动噪声要求极高。EEG信号幅值仅为5至300 μV，频率通常低于100 Hz，对接触阻抗、运动伪影及头皮贴合度极为敏感，需要稳定低阻抗的电极界面。EMG测量肌肉电活动，表面EMG为非侵入式，针电极用于深层评估，信号幅值约0.1 μV至5 mV，有效频率范围10–500 Hz，常应用于面部、手臂等高活动区域，对电极界面稳定性要求严格。EOG记录眼球运动产生的电位，电极置于眼周，需在高敏感且频繁活动的皮肤区域维持稳定低噪声接触，同时最小化运动伪影与不适感。温度测量需与皮肤保持紧密、稳定且无刺激的界面，传统刚性温度计不适用于连续或可穿戴监测，推动了柔性透气温度传感器的开发。综上，这些生物物理监测模态对电极-皮肤界面提出了共同要求，垂直排列表面结构通过增加有效接触面积、改善机械互锁及增强界面稳定性，为可靠信号采集提供了独特优势。
3 垂直排列纳米柱电极的类型及其特性
纳米结构电极因微纳纹理结构可显著提升界面性能而备受关注。相较于平面结构，垂直排列纳米结构提供了更大的有效表面积，在不改变电极整体尺寸的情况下增加了功能表面积。分层微纳结构（如纳米柱阵列）可利用此优势增强生物传感性能，通过增加表面积提高信噪比（SNR）与灵敏度。研究人员总结了代表性纳米柱电极的关键性能参数，包括材料类型、阻抗、SNR、粘附性、稳定性及兼容性。除表面积优势外，垂直排列纳米柱还可通过独特形貌改善细胞-电极相互作用，促进细胞在相邻柱体间定位并增强粘附性。根据工作模式，电极通常分为侵入式与非侵入式。侵入式电极通常提供更高SNR与精度，但植入需手术操作，增加健康与感染风险；非侵入式电极更安全且对患者干扰小，但更易受环境干扰、一致性较低且需频繁校准。垂直排列纳米柱电极已在两类场景中得到探索。侵入式电极通常经手术植入脑部、脊髓、心脏及肢体肌肉，可实现特定区域的精准信号采集，并能聚焦于特定神经元进行实时检测，在脑机接口（BMI）与神经修复中应用广泛，如Neuralink开发的高分辨率BMI平台及基于金纳米网络（Au NNs）的透明神经接口。其主要挑战在于可能引发组织损伤、细胞毒性及异物反应。非侵入式电极无需穿透皮肤，更具实用性与用户友好性，如硅纳米线阵列可实现非侵入式实时细胞外记录，银纳米线干电极在ECG与EMG测量中性能媲美传统湿电极，临时电子纹身电极通过范德华力实现皮肤共形贴附。其主要挑战在于实现与复杂三维器官表面的可靠共形贴附，并在生理活动引起的形变中保持信号稳定。垂直排列纳米柱电极的核心特性包括：高导电性与高SNR，通过优化纳米柱间距、高度与半径可进一步提升；优异的粘附性，促进细胞与电极的稳定结合；良好的柔性与拉伸性，支持可穿戴与植入式应用，但高纵横比结构在剪切载荷下的机械耐久性仍是关键问题；透气性，有助于维持皮肤健康微环境与长期佩戴舒适性；以及生物相容性与生物可降解性，确保材料在体内外应用的安全性。
4 垂直排列纳米柱电极的材料
垂直排列纳米柱可由多种材料体系构建。金属基电极（如金、银、铜、铂、钛、锌、不锈钢及硅）因优异的导电性与耐久性被广泛应用。例如，氧化铜/氧化锌（Cu2O/ZnO）异质结纳米柱提升了光电转换效率；银纳米线（Ag NW）因其高灵敏度与机械稳定性成为平面电极的有力替代；钛表面垂直排列的二氧化钛（TiO2）纳米柱可调控干细胞行为并促进骨基质合成；铂纳米柱在析氢反应（HER）中表现出低过电位与高催化活性。碳基材料（如碳纳米管、石墨烯、垂直排列碳纳米纤维VACNF）具有优异导电性、柔性与耐腐蚀性，可用于神经递质检测与高灵敏度生物传感，悬浮碳纳米线网格可实现120倍信号放大。聚合物基电极通过化学功能化与纳米结构整合，可提升灵敏度、选择性与稳定性，聚苯胺（PANI）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）等导电聚合物形成的纳米柱阵列具有高电容与优异倍率性能，适用于高性能超级电容器与柔性生物电子器件。
5 垂直排列纳米柱电极的制备
制备技术的精确控制对实现纳米柱的形貌、间距与材料特性至关重要。光刻技术通过图形化转移制备微纳结构，其中紫外光刻（PL）工艺成熟、通量高，但受光学衍射限制；电子束光刻（EBL）分辨率可达10 nm，适合复杂几何结构，但成本高、通量低且存在邻近效应；聚焦离子束光刻（FIBL）分辨率亦可达10 nm，邻近效应弱于EBL，但易造成样品损伤且通量低；软光刻利用弹性印章复制图案，成本低、兼容脆弱基底，但需预先制备母模。模板辅助合成通过具有预定尺寸的模板控制纳米材料生长，包括多孔阳极氧化铝（PAA）与多孔硅（pSi）模板。PAA模板通过铝的电化学阳极氧化制备，具有高度有序的纳米孔道，结合电化学沉积（ECD）、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）或旋涂技术，可大规模制备多种材料的纳米柱阵列。pSi模板通过单晶硅片在氢氟酸电解液中的阳极电化学刻蚀获得，具有优异的生物相容性与表面可修饰性，其孔隙结构可通过工艺参数调控，适用于生物传感与药物递送应用。
6 垂直排列纳米柱电极在电生理与细胞-电极耦合中的应用
垂直排列纳米柱结构作为电极可显著增加有效表面积、改善粘附性并增强生物电子界面稳定性，适用于长期神经与光学应用。研究人员开发的纳米柱阵列器件可对心肌细胞、神经元及细菌生物膜进行高分辨长期细胞内动作电位记录。在心脏芯片技术中，导电水凝胶柱或3D打印微电极实现了心脏组织收缩力与电生理信号的实时同步监测。金刚石纳米柱阵列为神经研究提供了生物相容性优异的高灵敏传感平台，可促进原代神经元生长并形成紧密膜-柱界面，提升基于氮-空位（NV）中心的量子传感性能。垂直纳米线电极阵列可实现神经元回路的长期多位点记录与刺激，并在细胞内与细胞外记录模式间切换。此外，柔性微柱电极阵列因其组织匹配杨氏模量显著提升了信号幅值与SNR。垂直排列纳米柱还可作为可控的机械扰动器与集成传感器，通过局部亚细胞变形探测核力学与机械转导过程，并结合倏逝场激发实现细胞内局域荧光测量，为关联电-机械研究提供了多功能平台。
7 结论与未来展望
垂直排列纳米柱电极凭借高导电性、优异生物相容性及可定制化特性，在侵入式与非侵入式应用中均具有重要价值。成熟的制备技术与多样化的材料体系为其性能优化与功能拓展提供了坚实基础。人工智能辅助纳米制造与机器学习驱动优化正在重塑电极设计流程，通过自动化材料选择与结构优化提升可靠性与效率。面对一次性聚合物电极带来的电子垃圾问题，基于可生物降解金属或瞬态硅结构的垂直排列纳米柱电极展现出环境友好型解决方案的潜力。未来，瞬态与生物可吸收材料体系的发展将进一步推动可持续、临床实用且环境负责的新型纳米结构电极技术进步。
