新型无金属水凝胶电极可弯曲以适应身体的多种形状避免对器官造成损害

金属电极阵列通常用于需要在体内监测或传递电脉冲的医疗程序，例如脑部手术和癫痫测绘。然而，构成它们的金属和塑料材料坚硬且不灵活，而身体的组织柔软且具有延展性。这种不匹配限制了可以成功使用电极阵列的地方，并且还需要施加大量电流以“跳过”电极与其目标之间的间隙。

受活体人体组织独特物理特性的启发，来自哈佛大学 Wyss 研究所和约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的一组科学家创造了灵活的、无金属的电极阵列，可紧密贴合身体的无数形状，从大脑的深皱纹到心脏的纤维神经。这种紧密的拥抱允许以较低的所需电压记录和刺激电脉冲，使其能够在身体难以触及的区域中使用，并最大限度地减少对脆弱器官造成损害的风险。

第一作者、Wyss 研究所的研究生 Christina Tringides 说：“我们的基于水凝胶的电极可以完美地呈现出放置在任何组织上的形状，并为轻松创建侵入性较小的个性化医疗设备打开了大门。”哈佛生物物理学计划。该成果发表在《自然纳米技术》上。

第一作者克里斯蒂娜·特林吉德斯 (Christina Tringides) 拿着一个大脑模型，她的柔性水凝胶电极被连接在一起。图片来源：哈佛大​​学 Wyss 研究所

受人体启发的医疗器械

所有活组织，特别是大脑和脊髓的标志之一是它们是“粘弹性的”——也就是说，如果对它们施加压力然后释放它们，它们会弹回原来的形状，但会永久变形为如果持续施加压力，则会产生新的形状。一个常见的例子是测耳，其中将越来越大的量规放入穿孔的耳朵中，随着时间的推移，耳垂上的孔会被拉长。

Tringides 和她的团队意识到，Wyss 研究所开发的海藻酸盐水凝胶具有多种功能，包括手术粘合剂和单细胞封装，它们也是粘弹性的，并推断他们应该能够调整它们以匹配其粘弹性。组织。鉴于她在神经工程方面的背景，Tringides 决定尝试创建完全粘弹性的电极，以匹配大脑的粘弹性，以实现更安全、更有效的神经电监测。标准电极由包含在塑料薄膜中的金属导电阵列制成，其硬度高达大脑的一百万倍。

该团队的第一个任务是测试他们的藻酸盐水凝胶是否能够成功地贴合活组织。在对不同类型的水凝胶进行试验后，他们确定了一种与大脑和心脏组织的机械特性最匹配的版本。然后，他们将水凝胶放在由类似明胶的琼脂糖制成的假“大脑”上，并将其性能与塑料材料和弹性材料的性能进行比较。

与其他材料相比，藻酸盐水凝胶与底层模拟大脑的接触量增加了一倍，甚至能够深入到大脑的许多深沟中。当他们将材料留在模拟大脑上两周时，弹性材料已从其原始位置大幅移动，并在从下面的模拟组织中取出时立即恢复原状。相比之下，藻酸盐水凝胶在整个过程中都保持原位，并在移除后保持其类似大脑的形状。

顺其自然

既然团队有了一种可以在组织周围弯曲和流动的材料，他们必须发明一种可以做同样事情的电极。绝大多数电极由金属制成，因为金属具有高度的导电性——但也非常坚硬和不灵活。

在实验室进行了多次实验和深夜之后，该团队确定了石墨烯薄片和碳纳米管的组合作为他们的最佳候选者。“这些材料的部分优势在于它们的细长形状。这有点像将一盒未煮熟的面条扔在地板上——因为面条都是细长的，它们很可能在多个点相互交叉。如果你把一些更短更圆的东西扔在地板上，比如大米，很多谷物根本不会接触，”特林吉德斯说。

当这些面条状材料嵌入藻酸盐水凝胶中时，它们在凝胶中纵横交错，形成多孔的导电通路，电流可以通过这些通路传播。这些柔性电极可以弯曲 180 度以上并打结而不会断裂，这使它们成为粘弹性藻酸盐水凝胶的完美搭档。

总而言之，该团队用称为 PDMS 的自修复有机硅聚合物绝缘层包围了他们的新导电电极，然后将其夹在两层藻酸盐水凝胶之间。由此产生的装置非常灵活，可以拉伸至其长度的 10 倍而不会断裂或撕裂。当星形胶质细胞和神经元等活脑细胞在设备上生长时，这些细胞没有显示出任何损伤或其他负面影响，表明该设备可以安全地用于活组织。

用于更安全手术的替代阵列

然后，该团队通过将其连接到小鼠心脏，在真实条件下测试了他们的新粘弹性电极阵列。该装置在移动时保持在组织上的位置，并在数万次肌肉收缩后保持完整。然后研究人员按比例放大，将他们的设备连接到大鼠大脑、大鼠心脏和牛心脏，所有这些设备都没有受到损坏，设备也没有滑动，即使弯曲超过 180 度。相比之下，当弯曲超过 90 度时，商用电极阵列不会与牛心脏保持接触。

最后，粘弹性电极阵列成功地用于刺激神经和记录体内电活动。当该设备连接到活老鼠的后腿时，研究人员通过改变几个电极中的哪一个来传递刺激，成功地刺激了不同的肌肉收缩。然后，他们在手术期间将他们的设备连接到老鼠的心脏和老鼠的大脑。该设备成功记录了心脏和大脑的电活动，该设备弯曲以附着在难以触及的区域，并且在使用过程中不会对动物造成伤害。

“该设备的粘弹性标志着医疗设备的一个新方向，这些设备通常被设计为纯弹性，”通讯作者 Dave Mooney 博士说，他是 Wyss 核心教员和研究所免疫材料的负责人平台。“通过采取相反的方法，我们可以更紧密地与身体组织接触，从而在不损坏组织的情况下提供更多功能的界面。” Mooney 还是 SEAS 的 Robert P. Pinkas 生物工程家族教授。

该团队正在继续开发他们的设备，目前正致力于在更大的动物体内验证它们，最终目标是使它们可用于脑肿瘤切除手术和癫痫测绘等医疗程序。他们还希望这项新技术能够在目前市售设备无法访问的身体部位进行电记录和刺激。

“我喜欢这个团队通过挑战必须由金属和固体塑料制成才能有效的假设来解决半刚性电极问题的开箱即用思维。这种设计思维，问题解决和理解匹配生命系统机制的重要性是我们在 Wyss 研究所努力培养和鼓励的，这是可以从中获得好处的一个很好的例子，”医学博士 Don Ingber 说，博士，Wyss研究所的创始主任。

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