工程师开发出一种柔软可印刷无金属的电极

对“电子植入物”进行图像搜索，您将设计出各种各样的设备，从传统的起搏器和人工耳蜗到旨在增强视力、治疗抑郁症和恢复活动能力的更具未来感的大脑和视网膜微芯片。

有些植入物又硬又笨重，而另一些则柔软而薄。但无论它们的形式和功能如何，几乎所有植入物都包含电极——直接附着在目标组织上以电刺激肌肉和神经的小型导电元件。

植入式电极主要由具有导电性质的刚性金属制成。但随着时间的推移，金属会加重组织，导致疤痕和炎症，进而降低植入物的性能。

现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种不含金属的果冻状材料，它像生物组织一样柔软而坚韧，并且可以像传统金属一样导电。这种材料可以制成可打印的墨水，研究人员将其图案化为柔性橡胶电极。这种新型材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代金属成为功能性凝胶电极，具有生物组织的外观和触感。

“这种材料的工作原理与金属电极相同，但它是由与我们的身体相似且含水量相似的凝胶制成的，”医疗设备初创公司SanaHeal的联合创始人HyunwooYuk博士说。“它就像人造组织或神经。”

“我们相信，我们第一次拥有一种坚韧、坚固、类似果冻的电极，它有可能取代金属来刺激神经并与心脏、大脑和身体其他器官接触，”XuanheZhao补充道，麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授。

麻省理工学院和其他地方的Zhao、Yuk和其他人在NatureMaterials上报告了他们的结果。该研究的合著者包括第一作者、前麻省理工学院博士后、现任宾夕法尼亚州立大学助理教授的周涛，以及江西科技师范大学和上海交通大学的同事。

真正的挑战

绝大多数聚合物本质上是绝缘的，这意味着电流不容易通过它们。但是存在一类小而特殊的聚合物，它们实际上可以让电子穿过它们的本体。一些导电聚合物在1970年代首次被证明具有高导电性——这项工作后来获得了诺贝尔化学奖。

最近，包括Zhao实验室在内的研究人员尝试使用导电聚合物制造柔软、无金属的电极，用于生物电子植入物和其他医疗设备。这些努力旨在制造柔软而坚韧的导电薄膜和贴片，主要是通过将导电聚合物颗粒与水凝胶(一种柔软的海绵状富水聚合物)混合。

研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合能够产生一种柔韧、生物相容且导电的凝胶。但迄今为止制造的材料要么太脆弱、太脆，要么表现出较差的电气性能。

“在凝胶材料中，电气和机械性能总是相互竞争，”Yuk说。“如果你提高凝胶的电性能，就必须牺牲机械性能，反之亦然。但实际上，我们两者都需要：材料应该具有导电性，同时还具有弹性和坚固性。这是真正的挑战，也是人们为什么选择无法将导电聚合物制成完全由凝胶制成的可靠设备。”

电热意大利面

在他们的新研究中，Yuk和他的同事们发现他们需要一种新的配方来混合导电聚合物和水凝胶，以增强各自成分的电气和机械性能。

“人们以前依赖于两种材料的均匀、随机混合，”Yuk说。

这种混合物产生由随机分散的聚合物颗粒制成的凝胶。该小组意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，两种成分应该以它们略微排斥的方式混合——一种称为相分离的状态。在这种稍微分离的状态下，每种成分然后可以连接其各自的聚合物以形成长而微观的链，同时也作为一个整体混合。

“想象一下，我们正在制作电气和机械意大利面，”Zhao提议道。“电意大利面是导电聚合物，它现在可以通过材料传输电力，因为它是连续的。机械意大利面是水凝胶，它可以传输机械力，并且坚韧有弹性，因为它也是连续的。”

然后，研究人员调整了配方，将面条化的凝胶煮成墨水，然后通过3D打印机将墨水送入，并以类似于传统金属电极的图案打印到纯水凝胶薄膜上。

“因为这种凝胶是可3D打印的，我们可以定制几何形状和形状，这使得为各种器官制造电子接口变得容易，”第一作者Zhou说。

然后，研究人员将印刷的果冻状电极植入大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。该团队在长达两个月的动物身上测试了电极的电气和机械性能，发现这些设备始终保持稳定，周围组织几乎没有炎症或疤痕。电极还能够将电脉冲从心脏传递到外部监视器，并将小脉冲传递到坐骨神经和脊髓，进而刺激相关肌肉和四肢的运动活动。

展望未来，Yuk设想新材料的立即应用可能适用于从心脏手术中康复的人。“这些患者需要几周的电支持，以避免心脏病发作作为手术的副作用，”Yuk说。“因此，医生在心脏表面缝合了一个金属电极，并在数周内刺激它。我们可能会用我们的凝胶代替这些金属电极，以最大限度地减少人们目前只能接受的并发症和副作用。”

该团队正在努力延长材料的使用寿命和性能。然后，凝胶可以用作器官和长期植入物(包括起搏器和脑深部刺激器)之间的软电接口。

“我们小组的目标是用果冻之类的东西代替体内的玻璃、陶瓷和金属，这样它更温和但性能更好，而且可以持续很长时间，”赵说。“那是我们的希望。”