从PEEK颅骨到PI电极：特种橡塑材料如何“柔性”撬动千亿脑机接口市场（附案例解析）

本文将带您深入探寻，橡塑材料如何在脑机接口这一前沿领域扮演着不可或缺的角色，并揭示其背后的市场现状与技术挑战。

 

在科幻电影里，人们常常幻想凭借意念就能操控周围的一切，如今，这一幻想正逐渐照进现实。当“钢铁侠”马斯克旗下脑机接口公司Neuralink于2024年初宣布其首位人类受试者通过意念操控电脑光标和玩游戏时，全球为之惊叹。而近期，我国科学家在侵入式脑机接口临床试验领域取得重大突破，高位截瘫患者仅凭意念就能操控轮椅在小区遛弯、指挥机器狗取回外卖。

 

 

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术，是指在生物脑与智能机器之间建立信息交流的直接通道，既可以解读脑部信号、控制外部设备，也可以将信息编码输入大脑。对于BCI，人们最多谈论的是复杂的芯片与算法；然而，在这项融合脑科学、电子工程与人工智能的交叉领域中，一个至关重要的幕后英雄却容易被忽略——看似不起眼的特殊橡塑材料以其独特的生物相容性、柔性、绝缘性等核心优势，成为电极封装、信号传输、人体适配等关键环节的不可替代组件。

 

本文将带您深入探寻，橡塑材料如何在脑机接口这一前沿领域扮演着不可或缺的角色，并揭示其背后的市场现状与技术挑战。

 

 

01

市场概览：千亿新赛道

随着神经科学、人工智能和微电子技术的迅速发展，脑机接口已不再停留于概念，正逐渐从实验室走向临床。据Grand View Research统计数据，全球脑机接口市场规模由2019年的12亿美元，增长至2023年近20亿美元，CAGR（年复合增长率）超13%。尽管脑机接口技术的应用可能性和潜力巨大，但目前脑机接口技术在人体上的应用仍处在临床试验阶段，且还面临着巨大的伦理道德和社会接受度的难题，因此当前不同机构对于脑机接口产业的前景增速预测有较大差异，取均值计算预计到2029年全球脑机接口产业规模将达到76.3亿美元。

 

主要海外市场调研机构预测的全球脑机接口产业未来五年增速(单位:%)

 

然而，BCI这片蓝海面临一个根本性挑战：如何让刚性、冰冷的电子设备，与柔软、脆弱的脑组织长期安全共存？答案直指高性能聚合物与复合材料，它们作为核心组件，占脑机接口设备成本的20%-30%，按此测算，2029年全球脑机接口橡塑材料市场规模将近20亿美元，其中生物基塑料、PEEK、聚酰亚胺等高性能材料增速最快。

 

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核心橡塑材料：构建“脑-机”对话的柔性桥梁

BCI系统，尤其是需要与人体脑组织直接接触的侵入式设备，对材料的要求极为苛刻，需同时满足生物安全性、功能适配性（导电/绝缘/柔性）与长期稳定性。橡塑材料通过分子设计与改性，形成了如下三大核心应用体系。

 

 

1. 生物基塑料：兼顾环保与生物相容性

生物基塑料以可再生原料制备，核心优势是生物相容性与可降解性，避免长期植入对人体组织的排斥反应，主要应用于电极、连接线缆及接口组件。

 

• 聚乳酸（PLA）：具备优异生物相容性与导电性，可制成植入式电极，植入后能与周围组织形成稳定生物界面，完成使命后自然降解，减少环境污染。

• 聚己内酯（PCL）：柔韧性突出，适合制作连接线缆，能承受日常拉扯弯曲，与人体组织接触时安全性高，为信号传输提供稳定载体。

 

2. 高性能工程塑料：支撑核心部件功能实现

工程塑料凭借高强度、高绝缘性、耐体液腐蚀等特性，成为侵入式脑机接口核心结构件的首选材料，尤其在颅骨载体、电极基底、设备封装等关键部位发挥作用。

 

• 聚醚醚酮（PEEK）：生物相容性与骨组织接近，无金属干扰信号，通过4D打印技术可制成颅骨修复体，预置电极通道与芯片卡槽，实现“颅骨-设备”一体化设计。其微孔结构可根据颅内压动态调整孔隙率，降低设备移位风险，感染率仅0.8%。

• 聚酰亚胺（PI）：超薄柔性特性突出，厚度仅10-20微米（约为头发丝五分之一），是柔性电极阵列的核心基底材料，可紧密贴合大脑皮层表面与脑组织随动，搭载高密度电极且最大限度地减少对神经组织的机械损伤。

• 聚氯三氟乙烯（PCTFE）：密度轻（2.1g/cm³）、生物相容性优异，兼具电磁透明性与低热导率，用于Neuralink N1植入物（即芯片）的外壳封装，支持无线充电与通信，同时分散热量保护脑组织。

 

3. 柔性弹性体：优化人体适配与信号传输

柔性弹性体以其出色的贴合性、缓冲性，解决脑机接口设备与人体组织的适配难题，主要应用于非侵入式电极垫片、植入式设备缓冲层等。

 

• 硅橡胶：生物相容性好、柔软透气，是脑电帽电极与头皮接触的核心材料，可降低皮肤过敏风险，同时减少运动伪影对信号采集的干扰。

• 聚氨酯（PU）：兼具柔性与耐磨性，用于非侵入式脑机接口的头戴式设备衬垫、连接线缆外皮，提升佩戴舒适度与设备耐用性。

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关键加工工艺：实现材料性能的精准落地

有了高性能的材料，还需要与之匹配的精密加工工艺，才能将它们变成可满足神经接口设备的微型化、高精度与功能集成需求的复杂结构，核心工艺集中在以下三类：

 

1. 增材制造（3D/4D打印）：一体化成型核心结构

• 应用场景：主要用于PEEK等工程塑料的颅骨载体、设备支架制造。

• 工艺优势：基于患者CT数据精准建模，实现“颅骨-电极通道-芯片卡槽”一体化打印，微晶砂多孔界面可促进神经组织与电极融合，4D打印技术还能赋予材料形状记忆功能，动态响应颅内压变化。

 

4D打印使3D打印结构能够随着时间的推移改变其配置

 

2. 微纳加工与改性技术：提升材料功能密度

• 薄膜光刻工艺：用于聚酰亚胺PI柔性电极基底制造，通过高精度光刻实现每平方厘米1024个电极的高密度集成，电极直径仅50-380微米，信号采集分辨率大幅提升。

• 微纳复合改性：在生物基塑料中添加纳米材料（如石墨烯、聚吡咯），提升材料强度、导电性与绝缘性，解决纯生物基塑料电性能不足的问题；PEEK表面通过等离子体沉积技术生长纳米级导电涂层，使绝缘颅骨板兼具信号中继功能，传输效率提升300%。

 

3. 精密成型与封装工艺：保障设备稳定性

• 注射成型：对于液态硅胶LSR和TPU这类热塑性材料，高精度注塑成型是生产复杂几何形状部件的首选方法。它可以保证产品的高一致性、高生产效率和低成本。

   

• 无菌封装工艺：针对植入式橡塑组件，采用等离子体灭菌、真空封装技术，避免加工过程中引入污染物，保障生物安全性，符合医疗器械GMP标准。

 

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政策驱动：各国竞相布局的未来战略高地

脑机接口技术的重要性不言而喻，它不仅推动神经科学、人工智能AI的交叉创新，更关乎国家在新一轮科技革命中能否掌握定义权。目前，全球主流国家都在积极出台政策，推动脑机接口产业发展，抢占行业高地。美国出台了《神经工程系统设计计划》，日本发布了《脑/心机能利用技术推进战略》，欧盟发布了《人类大脑计划(Human Brain Project)》。

 

我国高度重视脑机接口产业的发展，已将脑科学与类脑研究列为国家重大科技项目。2025年7月23日，工信部等七部门联合发布《关于推动脑机接口产业创新发展的实施意见》，提出突破核心技术“卡脖子”环节，对包括生物相容性材料在内的关键组件给予研发费用加计扣除、专项资金补贴。最新“十五五”规划中，脑机接口被列为重点布局的“六大未来产业”之一，与量子科技、具身智能等同为前沿方向。

 

 

作为颠覆性技术，脑机接口将带动材料、芯片、医疗设备等全产业链协同发展。国家级科技战略为脑机接口及其上游材料产业注入了强大的政策动力。

 

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应用案例：从实验室到临床的跨越

以下案例均来自公开报道或企业公开信息，完整展现橡塑材料在脑机接口领域的实际应用。

 

Neuralink的“线”与“N1”植入物：马斯克的公司使用比头发丝还细的柔性聚合物丝线植入大脑，业内普遍认为其基底为聚酰亚胺PI等材料，直径16-84微米，以最大限度减少脑组织损伤。其N1植入体外壳采用PCTFE封装材料，兼具生物相容性与电磁透明性，支持无线充电与通信，低热导率可保护脑组织。2024年成功完成人体实验，使瘫痪患者实现脑控电脑光标操作。

 

Neuralink N1植入物主要构成部分

 

Synchron公司的Stentrode™：血管内BCI是一项颠覆性创新。该设备由镍钛合金和导电聚合物（可能为聚(3,4 - 乙烯二氧噻吩) PEDOT）制成，通过导管经由血管植入，无需开颅。其核心优势在于利用血管作为天然通道，极大降低了手术风险。该产品已获得美国FDA临床试验批准。

 

 

国内的康拓医疗4D打印PEEK脑机接口载体采用4D打印PEEK材料制作颅骨修复体，预置电极通道与芯片卡槽，实现“颅骨-设备”一体化设计，上海市第六人民医院临床试验显示，联合植入方案使二次手术率从23%降至1.5%。

 

 

2025年6月，新清华学堂的舞剧《咏春》演出现场，佩戴便携式脑电设备的志愿者成为一道独特风景线。这些看似科幻的“头套”，实则是国内脑机接口领域的领军企业——博睿康公司的NeuroHUB平台的无线脑电和生理信号采集设备，采用无线方案同步记录数据，实时捕捉观众沉浸于艺术时的神经活动。其设备中对信号完整性和佩戴舒适性的追求，离不开高性能医用高分子材料的应用。

 

 

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挑战与未来展望

尽管前景广阔，但橡塑材料在脑机接口领域的应用仍面临诸多挑战，技术瓶颈待突破为重中之重。

 

• 材料的长期体内稳定性验证：部分植入式橡塑材料的降解产物神经毒性，需长达20年的临床追踪数据验证。材料如何抵抗蛋白吸附、炎症反应和组织纤维化，仍是亟待解决的难题。

• 性能平衡难度大：需同时满足生物相容性、柔性、导电性、耐腐蚀性等多重要求，如生物基塑料的电绝缘性需通过掺杂导电材料改进。

• 大规模制造的成本居高不下：高端材料（如PEEK）与精密加工工艺（如4D打印、微纳光刻）的成本高昂，制约消费级产品普及。开发更具性价比的材料和工艺是产业化的关键。

 

另外，批量生产的良品率，以及严格的医疗器械注册法规，都是产业化必须翻越的高山。

 

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发展趋势

未来趋势已清晰可见：

• 多功能一体化：橡塑材料将集成电刺激、生物传感、药物缓释等功能，成为“智能材料”，如4D打印PEEK材料可释放神经营养因子，修复电极穿刺造成的微损伤。这些新材料将进一步提升脑机接口的性能和安全性，最终让这项技术惠及更广泛的患者群体。

• 器件形态革新：向超薄、无线、可降解甚至可注射的“神经尘埃”形态发展。

• 标准体系完善：随着政策推动，脑机接口橡塑材料的生物相容性标准、加工工艺规范将逐步建立，推动产业规范化发展。

• 产业生态形成：将催生出从特种高分子原料供应商、精密微加工制造商到终端BCI产品商的完整产业链，其中在材料端拥有核心技术的企业将具备极高壁垒。

 

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总结

脑机接口的未来，不仅写在代码和芯片里，更编织在每一根分子链、每一层聚合物薄膜之中。那些隐身在探针尖端、电路之间和封装之下的特种橡塑材料，正以其独特的性能优势，俨然成为了这个尖端产业的底层支撑。对于材料行业而言，这不仅是技术升级的召唤，更是切入全球最前沿科技供应链的历史性机遇。基石已筑，静待英雄。