10、纳米结构涂层助力神经元电荷传递：原理、参数与设计考量

纳米结构涂层助力神经元电荷传递：原理、参数与设计考量

1. 电化学基础与电荷转移机制

在神经刺激应用中，纳米结构电极的电化学原理对电荷转移起着关键作用。当电极植入人体后，会与含有离子和盐的细胞外电解质接触。依据化学原理，金属在电解质溶液中有氧化成金属离子的趋势，电极的半电池电位决定了其氧化程度，负半电池电位的金属更易氧化。

在氧化过程中，带正电的金属离子离开电极进入溶液，使电极表面积累多余电子，形成电场，促使反向的还原反应发生，最终系统达到平衡，除非受到外部电场或电流干扰。

在电极表面，会形成所谓的亥姆霍兹双层（Helmholtz double layer），它由电解质中的分子组成。紧邻带电表面的是有序的水合壳层，由电极电场使极性水分子排列而成；外层则是被电极表面电场吸引的水合离子层。这个双层可以被建模为一个电容器，有助于电极/电解质界面的电荷转移。

在电刺激过程中，电极表面的电子形式电荷需转化为生物电解质中的离子形式电荷，才能传递给附近的神经元。电荷转移通常通过两种机制实现：
- 法拉第电荷注入（Faradic Charge Injection） ：通过氧化还原（redox）反应在电极和电解质之间转移电子。简单的反应发生在固体金属和金属离子之间，施加正脉冲时，金属电极释放电子，金属离子进入电解质；施加负脉冲时，电子被金属离子接受，金属离子还原并重新沉积在电极表面。反应可以是可逆或不可逆的，可逆反应的产物通常留在电极表面或扩散缓慢，可通过相反极性的脉冲逆转，具有赝电容特性；不可逆反应的产物会扩散，产生有害化学物质，如水电解成气体，应避免这种反应。
- 非法拉第或电容性电荷注入（Non