水凝胶电极流动以适应身体

金属电极阵列通常用于需要监测或传递体内电脉冲的医疗程序，例如脑部手术和癫痫映射。然而，金属和塑料材料组成它们的组织是僵硬和不灵活的，而身体的组织是柔软和有延展性的。这种不匹配限制了电极阵列可以成功使用的地方，也需要应用大量的电流来“跳过”电极与目标之间的间隙。

受活人体组织独特物理特性的启发，哈佛大学维斯研究所和约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组科学家创造了一种灵活的、无金属的电极阵列，它紧贴着人体的无数形状，从大脑深处的折痕到心脏的纤维神经。这种紧密的拥抱可以记录电脉冲，并以较低的所需电压刺激电脉冲，使它们能够在身体难以触及的区域使用，并最大限度地降低对脆弱器官的损害风险。

“我们的水凝胶第一作者Christina Tringides说，她是Wyss研究所和哈佛生物物理学项目的研究生。

以人体为灵感的医疗设备

所有生物组织的特点之一,特别是大脑和脊髓,是他们“粘弹性”——也就是说,他们将自动回复原来形状如果压力应用于他们,然后释放,但会永久变形如果压力不断应用到一个新的形状。一个常见的例子是耳朵测量，将一个越来越大的尺寸放入穿孔的耳朵中，随着时间的推移，耳垂上的孔会扩大。

这是所有生物的特征之一组织特别是大脑和脊髓，它们是“粘弹性”的，也就是说，如果施加压力，它们会弹回到原来的形状，然后被释放，但如果持续施加压力，它们会永久变形成新的形状。一个常见的例子是耳朵测量，将一个越来越大的尺寸放入穿孔的耳朵中，随着时间的推移，耳垂上的孔会扩大。

Tringides和她的团队意识到，海藻酸盐水凝胶也是粘弹性的，它是由Wyss研究所开发的，具有多种功能，包括手术粘合剂和单细胞包封。他们推断，他们应该能够调整它们，以匹配组织的粘弹性。鉴于她的神经工程学背景，特里吉德斯决定尝试创造完全粘弹性的电极，这种电极可以匹配大脑的粘弹性，从而更安全、更有效地监测神经电。标准的电极是由金属导电阵列组成的，这些金属导电阵列包含在一层塑料薄膜中，其硬度是大脑的一百万倍。

该团队的第一个任务是测试他们的藻酸盐水凝胶是否能成功地与活体组织相符。在对不同类型的水凝胶进行试验后，他们选定了一种最接近于大脑和心脏组织力学特性的水凝胶。然后，他们将水凝胶放在一个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是前者的两倍，甚至能够深入到大脑的许多深沟槽中。当他们把这些材料放在模拟大脑上两周后，弹性材料基本上从原来的位置移动了很多，当从下面的模拟组织取出时，又立即弹回原来的形状。与此相反，藻酸盐水凝胶在去除过程中始终保持原位，并保持脑样形状。

随波逐流

既然这个团队有了一种可以弯曲并绕组织流动的材料，他们就必须发明一种可以做同样事情的电极。绝大多数电极是由金属制成的，因为金属具有高度的导电性，但也非常坚硬和不灵活。

经过多次实验，该团队确定了一种组合石墨烯薄片和碳纳米管是首选。“这些材料的部分优势在于它们的狭长形状。这有点像把一盒未煮熟的意大利面扔在地板上——因为面条又长又细，它们很可能在多个点上交叉在一起。如果你把更短更圆的东西扔到地板上，比如大米，很多谷物根本不会碰在一起，”特里吉德斯说。

当这些像意大利面条一样的材料嵌入海藻酸盐水凝胶时，它们在凝胶中纵横交错，创造出电可以通过的多孔导电通道。这些柔性电极可以弯曲超过180度，并在不断裂的情况下打结，这使它们成为粘弹性海藻酸盐水凝胶的完美搭档。

为了把所有的东西放在一起，研究小组用一种叫做PDMS的自愈硅聚合物的绝缘层包裹他们的新型导电电极，然后把绝缘层夹在两层海藻酸水凝胶之间。由此产生的装置具有高度的柔韧性，可以拉伸到其长度的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该设备上生长时，这些细胞没有出现损伤或其他负面影响，这表明该设备可以安全地用于活组织。

替代阵列更安全的手术

然后，研究小组将他们的新型粘弹性电极阵列安装在老鼠的心脏上，在真实环境中测试了它。在移动过程中，该设备在组织上保持原位，并在数万次肌肉收缩中保持完整。然后，研究人员扩大规模，将他们的设备连接到老鼠的大脑、老鼠的心脏和牛的心脏上，所有这些心脏都没有受到损伤，设备也没有打滑，即使弯曲超过180度。相比之下，商用的电极阵列在弯曲超过90度时无法与牛心脏保持接触。

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。当该装置被连接到一只活老鼠的后腿上时，研究人员通过改变几个电极中的哪个电极进行刺激，成功地刺激了不同的肌肉收缩。然后，在手术期间，他们将他们的设备连接到老鼠的心脏和大脑上。该装置成功地记录了心脏和大脑的电活动，它可以弯曲连接到难以触及的区域，在使用过程中不会对动物造成伤害。

通讯作者Dave Mooney博士是Wyss核心教员，也是该研究所免疫材料平台的负责人，他说:“这种设备的粘弹性标志着医疗设备的新方向，通常设计为纯弹性。”“通过采取相反的方法，我们可以更紧密地与身体组织结合，在不损害组织的情况下实现更有效的结合。”穆尼还是生物工程学院的罗伯特·平卡斯家族教授。

该团队正在继续开发他们的设备，目前正在努力在更大的动物体内验证它们，最终目标是让它们在医疗程序中使用，如脑瘤切除手术和癫痫测绘。他们还希望这项新技术能使电子记录和刺激在身体的某些部位进行，目前商用设备无法做到这一点。

这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上。