生物界面电极已被广泛应用于无创记录与调制神经电信号，这在认知研究中具有至关重要的意义。鉴于神经电信号极其微弱（脑电信号为微伏量级），易受干扰且具有时空依赖性，迫切需要研发具备高效稳定的生物电子界面、优异的电子-离子传输性能以及高时空分辨率的生物界面电极。尽管金属与导电聚合物已被用作生物界面电极材料，但金属电极仅具有电子导电性，且杨氏模量相对较大；而基于导电聚合物的水凝胶则主要表现为离子导电性，缺乏高效的电荷转移能力。因此，认知研究领域亟需新型生物界面电极，以实现神经电信号的高保真、高时空分辨、多模态采集。石墨烯、过渡金属碳化物等碳基材料，具有优异的光电性能与宽的电化学稳定窗口，是极具潜力的候选材料。这类材料可与皮肤实现力学共形贴合，并通过与聚合物的协同作用赋予电极电子-离子双导电特性。其独特的物理化学结构，有望为信号采集提供高效稳定的生物电子界面与高时空分辨率。

北京师范大学化学学院刘楠课题组深耕碳基生物电子界面领域多年，围绕高性能生物界面电极的设计、制备与应用开展全链条攻关，取得系列标志性成果，实现了从理论创新到实用器件的逐层跨越（Nat. Commun. 2026, 17, 2249; Adv. Mater. 2024, 36, 2313267）。团队早期通过调控石墨烯层间纳米卷结构，有效提升材料的拉伸导电性能，提出了可拉伸石墨烯电极理念，开辟了碳基柔性电极研究新方向（Sci. Adv. 2017, 3, e1700159）；在此基础上，课题组进一步深挖导电聚合物与纳米碳的协同作用机制，建立起机理及传感驱动的自适形生物电子界面设计新方法（Nat. Commun. 2021, 12, 4880）。其中，光敏交联剂凭借空间位阻效应与分子间氢键弱关联相互作用，精准限制导电聚合物分子链的运动。在熵增驱动力作用下，分子链被迫克服热力学趋势，形成紧密堆积的长程有序结构，大幅优化电极电学与力学性能（Adv. Mater. 2024, 36, 2403411；ACS Nano 2024, 18, 34971-34985）；随后研究拓展到过渡金属碳化物体系，通过层间交联改性创制出新型生物电子界面材料，成功开发了多模态兼容的高性能电极材料（ Adv. Mater. 2023, 35, 2304956.）。

基于前期研究基础，刘楠教授在该篇综述论文中，系统阐述了碳基生物界面电极的设计准则。团队依据界面共性接触能量公式Uconformal = Uskin + Ubending + Uadhesion与界面阻抗公式Ztol = Repi + Re/(1 + jωCeRe)，明确了碳基材料的优化方向：朝着亚微米级厚度迭代、辅以表面粘附改性，同时要求电极材料兼具高电子导电性与高电容特性，为碳基电极的研发提供了精准的理论指导（图1）。通过原子结构精准设计、界面工程调控以及仿生界面构建，将微观电荷转移机制与宏观电极性能深度绑定，为高性能生物界面电极创制提供思路。展望未来，团队将依托超共形碳基生物界面电极，结合理论计算、人工智能与多维界面调控技术，实现电极材料的精准预测、可控制备与原位机制解析；通过高密度阵列与多模态监测融合，攻克认知障碍疾病早期信号捕捉难题，推动生物电子器件全链条落地与神经疾病早诊断、早干预。该篇综述从生物电子界面的需求出发，系统总结了碳基生物界面电极的设计准则及其在认知神经信号监测中的独特性能和优势，为高性能生物界面电极的创制提供了系统性的构建策略。

图 1. 影响有效界面电荷传输的两个因素：（a）共形性和（b）界面阻抗。

该综述近期被Accounts of Chemical Research杂志以“Ultraconformal Carbon-Based Biointerfacing Electrodes for Cognition Study”为标题接收发表（Acc. Chem. Res. 2026, 59, 802–813）。论文通讯作者为刘楠教授，宋德魁特聘副研究员（珠海校区）和博士生林欣昀为共同第一作者，该研究得到国家自然科学基金、北京高创计划青年人才托举工程、中国博士后科学基金项目等的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.5c00893