新型的無(wú)金屬水凝膠電極可以柔性貼合身體的任何形狀，避免了對(duì)于器官帶來(lái)的損害。

       金屬電極陣列經(jīng)常被用于醫(yī)療中，用來(lái)監(jiān)測(cè)和傳遞身體電信號(hào)，像腦部外科手術(shù)、癲癇映射。然而，金屬和塑料材料所構(gòu)成的傳感器通常不是柔性的，而身體組織是柔軟可變性的。這種不匹配限制了電極陣列成功應(yīng)用的地方，同樣還需要用很多電流“克服”電極和目標(biāo)件的差距。

       受人體組織物理特性的啟發(fā)，哈弗韋斯研究所和約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種柔性無(wú)金屬電極陣列，可以僅僅地覆形身體多種形狀，從腦補(bǔ)的深褶皺到心臟的神經(jīng)纖維。這種親密的接觸可以使得電流脈沖能夠被準(zhǔn)確記錄，且需要很少的電壓驅(qū)動(dòng)，使其可以應(yīng)用于很難到達(dá)的身體區(qū)域，最小減少對(duì)柔弱組織器官損害的風(fēng)險(xiǎn)。

      “水凝膠基的電極可以適應(yīng)于任何組織形狀，打開(kāi)了創(chuàng)造無(wú)排異、個(gè)性化的醫(yī)療器件。”-第一作者Christina談到。這項(xiàng)成果在Nature Nanotechnology中報(bào)道。

不像標(biāo)準(zhǔn)的電極是通過(guò)硬質(zhì)金屬件制成，水凝膠電極是通過(guò)碳納米管和石墨烯嵌入至超柔性的海藻酸水凝膠中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通

醫(yī)療器件受人體所啟發(fā)

       所有活性組織的一個(gè)特征，尤其是腦部和脊髓，其是粘彈性的，當(dāng)施加的外力釋放是會(huì)縮回至原有的形狀，當(dāng)壓力持續(xù)維持將會(huì)永久破壞成一個(gè)新的形狀。一個(gè)常見(jiàn)的案例是耳朵測(cè)量計(jì)，在穿孔的耳朵中其中放置一個(gè)越來(lái)越大的測(cè)量計(jì)，隨著時(shí)間推移耳洞會(huì)被拉長(zhǎng)。

       Christina和她團(tuán)隊(duì)在韋斯研究所實(shí)現(xiàn)了海藻酸水凝膠的開(kāi)發(fā)，其功能包括外科粘接劑和單胞封裝，也是粘彈性的，需要和組織的粘彈性保持一致。考慮到神經(jīng)工程的背景，Christina決定嘗試創(chuàng)造全新的粘彈性電極，其能夠與大腦的粘彈性匹配，其能夠保證更安全和更有效的神經(jīng)監(jiān)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)電極是由包含塑料薄膜的金屬導(dǎo)電陣列所組成，其比腦部硬數(shù)百萬(wàn)倍。

        團(tuán)隊(duì)第一次任務(wù)是測(cè)試海藻酸硅膠能夠成功覆形活體組織。通過(guò)對(duì)不同類型的水凝膠進(jìn)行測(cè)試后，他們確定了一個(gè)型號(hào)能夠緊密貼合腦部的機(jī)械特征，他們將由像明膠制成的水凝膠放置在假腦上，與塑性材料和彈性材料對(duì)比了性能。

      海藻酸凝膠與腦部的接觸相比其他材料要高出兩倍多，甚至可以深入至腦部很多深槽中。當(dāng)他們將這種材料放置在腦部仿品上兩周后，取下來(lái)的彈性材料實(shí)質(zhì)上已經(jīng)從原來(lái)的位置縮回至原始的形狀。相反，海藻酸凝膠在取下后仍能保持在原來(lái)的位置以及維持類腦部的形狀。

順勢(shì)而流

      現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有一種材料能夠隨著組織進(jìn)行彎曲和流動(dòng)，他們也發(fā)明了一種電極具有同樣的功能。現(xiàn)有大量的電極都是通過(guò)金屬制成，因?yàn)榻饘倬哂懈叩膶?dǎo)電性，但是非常硬，沒(méi)法彎折。

        通過(guò)很多試驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了通過(guò)石墨烯片和碳納米管的結(jié)合作為他們的首選。這些材料的優(yōu)勢(shì)在于其長(zhǎng)而窄的形狀。有點(diǎn)像在地板上投擲一箱沒(méi)有煮過(guò)的意大利面條。由于面條長(zhǎng)而細(xì)，它們會(huì)形成很多交叉點(diǎn)。如果在地板上拋擲的是一些短而圓形狀的東西，像大米，很多顆粒直接是無(wú)法相互接觸的。

掃描電鏡圖片展示了電極中石墨烯和碳納米管組分特寫。這些材料形成很多交叉點(diǎn)，為電流提供了連續(xù)通路。

   當(dāng)這些像通心粉狀的材料被嵌入海藻酸凝膠中，它們?cè)谀z中通過(guò)交織的方式創(chuàng)造出多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電路徑能夠?qū)崿F(xiàn)電流通路。這些柔性電極能夠彎曲超過(guò)180°而不會(huì)出來(lái)開(kāi)裂，使其可以作為粘彈性海藻酸凝膠很好的搭配者。

   為了將兩者聯(lián)合在一起，團(tuán)隊(duì)采用自愈合硅膠樹(shù)脂材料（PDMS）包覆電極，這樣形成了兩層海藻酸凝膠與電極的夾層結(jié)構(gòu)。形成的這個(gè)器件具有高柔性，能夠拉伸自身長(zhǎng)度的10倍而不會(huì)出現(xiàn)斷裂或者撕裂。當(dāng)活體腦部細(xì)胞像星型膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞會(huì)在這個(gè)器件上生長(zhǎng)，且細(xì)胞顯示沒(méi)有破壞或者其他副作用，意味著器件能夠安全在活體組織上使用。

更安全外科手術(shù)可選的電極陣列

   團(tuán)隊(duì)接著通過(guò)粘附其在小鼠心臟上測(cè)試了他們新的粘彈性電極陣列。在動(dòng)作時(shí)器件仍然停留在組織上，在肌肉收縮數(shù)萬(wàn)次仍保持其接觸。研究人員同比例放大，將他們的器件附在鼠腦上、鼠心臟以及牛心臟上，所有器件都沒(méi)有損害及滑動(dòng)松弛，即使在彎曲超過(guò)180°的時(shí)候也沒(méi)有。相反商業(yè)電極陣列在彎曲超過(guò)90°時(shí)不會(huì)一直保持與牛的心臟接觸。

      最終，粘彈性電極陣列被成功用于在活體中刺激神經(jīng)和記錄電活動(dòng)。當(dāng)器件粘附在活體小鼠的后腿部，研究人員成功地通過(guò)不同電極信號(hào)刺激了不同肌肉的收縮。他們?cè)谕饪剖中g(shù)時(shí)粘附器件至小鼠心臟和大鼠腦部。心臟和腦部的電活動(dòng)通過(guò)器件被成功記錄，其可以粘附至很難接觸的區(qū)域，在使用過(guò)程中也不會(huì)造成對(duì)動(dòng)物造成傷害。

       器件的粘彈性意味著醫(yī)療器件的新方向，以前通常被設(shè)計(jì)為純彈性。通過(guò)這種方法，可以與身體組織更緊密的接觸，可以實(shí)現(xiàn)更多功能的交互界面而不破壞組織。

      團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)他們的器件，正在更大動(dòng)物活體中驗(yàn)證，目標(biāo)是在像腦部腫瘤移除、癲癇掃描等醫(yī)療過(guò)程中可以應(yīng)用這類器件。他們同樣希望這項(xiàng)新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)局部身體的電活動(dòng)記錄和刺激，目前商業(yè)器件還難以實(shí)現(xiàn)。

凝膠電極可以覆形適應(yīng)身體很多不平整的表面和縫隙而不會(huì)破壞目標(biāo)組織

       器件的粘彈性標(biāo)志著醫(yī)療器件的新方向，它們可以與身體組織貼合的很緊密，允許更多的功能界面而不會(huì)破壞組織。