果冻状材料为体内移植开启新时代

（本文编译自ScienceDaily）

如果图片搜索“电子植入物”，各种设备层出不穷，从传统的起搏器和耳蜗植入物到旨在增强视力、治疗抑郁症和恢复行动能力的未来大脑和视网膜微芯片。

有些植入物又硬又笨重，而另一些则又软又薄。但无论其形式和功能如何，几乎所有的植入物都包含有电极——一种直接附着在目标组织上的小导电元件，用于对肌肉和神经进行电刺激。

可植入物的电极一般主要由可导电的刚性金属制成。但随着时间的推移，金属会破坏组织，导致疤痕和炎症的产生，从而让植入物的性能下降。

麻省理工学院的工程师们近日开发了一种不含金属的果冻状材料，这种材料与生物组织一样柔软坚韧，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，研究人员之后将其制成柔性橡胶电极。

这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有一天它可能会取代金属，成为具有生物组织外观和感觉的功能性凝胶电极。

医疗设备初创公司SanaHeal联合创始人Hyunwoo Yuk表示：“这种材料与金属电极极为相似，但它由凝胶制程，与我们的身体契合、含水量也相似。它就像是一个人造组织或神经。”

麻省理工学院机械工程及土木与环境工程学院教授Xuanhe Zhao补充道：“我们首次发现了一种坚韧、坚固、果冻状的电极，可以替代金属刺激神经，并与心脏、大脑和身体其他器官协同工作。”

真正挑战

绝大多数聚合物本质上都是绝缘的，这意味着它们不容易导电。但事实上，有一小类特殊的聚合物可以让电子通过它们。20世纪70年代发现了一些导电聚合物具有高导电性，这一发现后来被授予了诺贝尔化学奖。

近日，包括Zhao教授实验室研究人员在内的研究人员团队尝试使用导电聚合物来制造柔软、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，主要是通过混合导电聚合物颗粒与水凝胶（一种柔软海绵状、富含水的聚合物）来实现。

研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合能产生一种柔性、生物可相容和可导电的凝胶。但迄今为止的制造材料要么太弱、太脆，要么电气性能较差。

Yuk表示：“在凝胶材料中，电性能和机械性能是相互排斥的。如果要改善凝胶的电气性能，就必须牺牲机械性能，反之亦然。但事实上，这两者我们都需要。材料应该可导电，且具有弹性和坚固。这才是真正的挑战，也是人们无法将导电聚合物加入完全由凝胶制成的可靠设备中的原因。”

电子意大利面

在他们的新研究中，Yuk和他的同事发现，他们需要一种新的配方来混合导电聚合物与水凝胶，以增强它们各自的电性能和机械性能。

Yuk表示：“人们之前都依赖于这两种材料的同质、随机混合。”

这种混合物产生了由随机分散的聚合物颗粒制成的凝胶。该研究小组意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电强度和机械强度，这两种成分应该以它们轻微排斥的方式混合——这种状态被称为相分离。在这种稍微分离的状态下，每种成分都可以将各自的聚合物连接起来，形成长而微观的链，同时也可以以一个整体混合。

“想象一下，我们正在做电子意大利面和机械意大利面，” Zhao说道，“电子意大利面是导电聚合物，可以在材料上传输电，因为它是连续的。而机械意大利面是水凝胶，它可以传输机械力，而且坚韧有弹性，因为它也是连续的。”

然后，研究人员调整了配方，将经过已经制成意大利面的凝胶‘烹饪’成墨水，并通过3D打印机将其打印到纯水凝胶膜上，图案与传统金属电极相似。

研究人员Zhou表示：“因为这种凝胶是3D打印的，所以可以定制几何形状和大小，这让为各种器官制造电接口变得更加容易。”

然后，研究人员将打印的果冻状电极植入老鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。该团队在动物身上测试了电极的电气和机械性能长达两个月，发现这些设备始终保持稳定，周围组织几乎没有产生炎症或疤痕。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，从而刺激相关肌肉和四肢的运动。

展望未来，Yuk设想这种新材料可能会立即应用于心脏手术后的康复者。

Yuk表示：“这些患者需要长达几周的电刺激支持，以避免心脏病发作，这可能是手术的副作用之一。因此，医生在心脏表面植入一个金属电极，并在数周内对其进行刺激。我们可以用我们的凝胶代替这些金属电极，以最大限度地减少并发症以及一些副作用。”

该团队正在努力延长该材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以用作器官和长期植入物之间的柔性电接口，包括起搏器和脑深部刺激器。

Zhao表示：“我们小组的目标是用果冻状的材料来代替体内的玻璃、陶瓷和金属材料，因为它更温和，但性能更好，可以持续很长时间。这是我们的愿景。”

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