Nat. Nanotech.：超柔的粘弹性电极

植入式电极在生物医学领域中用来监测和传递体内的电脉冲信号，经常需要人体组织相连接，比如心脏起搏器的电极，还比如实验中的人机接口电极。但是，除骨骼之外的人体器官组织大多柔软且脆弱，而标准电极往往是刚性的。现有设备使用的刚性电极材料与粘弹性生物组织不匹配，不能完美贴合，且施加应力容易对器官造成永久性变形。如果有一种与生物组织具有相似性质的粘弹性电极，不但能提高电极阵列与器官的匹配度，提高脉冲信号采集的准确性，更能减少对生物组织的损伤。

近日，哈佛大学David J. Mooney等研究者在Nature Nanotechnology 杂志上发表文章，报道了一种粘弹性表面微电极阵列，利用水凝胶作为主体材料，替代了传统刚性的导电元件和封装技术，该阵列可以与人体的器官，包括心脏或大脑皮层的卷曲表面紧密贴合，接收和传递电脉冲信号，使其对脆弱器官的损伤风险降到最低。

Christina Tringides（本文一作）手持贴有水凝胶电极的大脑模型。图片来源：哈佛大学Wyss研究所 ^[1]

研究者制备水凝胶的主体材料就是常见的海藻酸钠。对比实验中，他们将聚酰亚胺、Ecoflex橡胶和海藻酸钠基质放置在由琼脂糖制成的模拟猪脑上。聚酰亚胺完全不贴合，Ecoflex橡胶表现出一定的贴合度，相比之下，海藻酸钠则会逐渐发生塑性变形，与模拟大脑紧密贴合。

海藻酸钠水凝胶具有纳米尺寸的网孔结构，通过调节交联度，可以改变粘弹性，使其储能模量（G’）在10³到10⁴数量级，损耗模量（G”）在10²到10⁴数量级，与实验中常用的不同生物组织，如羊脑皮层、小鼠心脏等组织相匹配。力学性质的相似，进一步增加了海藻酸钠与组织的兼容性。

海藻酸钠水凝胶电极阵列示意图，及贴合情况对比。图片来源：Nat. Nanotech.

如何将海藻酸钠水凝胶变成粘弹性电极阵列呢？研究者将碳纳米管（CNT）和石墨烯薄片（GF）嵌入柔性水凝胶来实现导电，电导率最高可达35  S  m^–1。其中，GF贴附到微孔水凝胶的孔壁上，而CNT则形成致密的节点。

GF+CNT嵌入海藻酸钠基质的导电性能研究。图片来源：Nat. Nanotech.

由于海藻酸钠水凝胶通过离子进行交联，自身不具有绝缘性，因此需要在表面添加粘弹性封装层。研究者选择了以氨基封端的PDMS，通过与海藻酸钠中的羧基相结合，增强了二者间的作用力，拉伸到自身长度的10倍也不会破损。

高度柔性且可拉伸的粘弹性封装层。图片来源：Nat. Nanotech.

封装后的电极阵列依旧具有与心脏或脑组织相吻合的粘弹性，在盐溶液中浸泡84天，阵列阻抗不发生明显变化。在模拟生理系统循环10000或100000次后，也仅有一个电极明显断裂，其余电极阻抗改变量均不超过两倍。随后研究者将电极贴附在牛心脏上，阵列弯曲度大于90°，与组织仍可以保持贴合，阻抗没有明显变化。

电极阵列的体外验证实验。图片来源：Nat. Nanotech.

最后，研究者对电极进行了体内实验，将粘弹性阵列贴在啮齿动物的心脏，记录心电图阵列弯曲度超过180°，仍能正常工作，信噪比为15.6。随后，阵列被贴在小鼠的大脑皮层，通过光或声音的刺激，诱导皮层底层的电活动，并记录信号。

电极阵列体内验证示意图。图片来源：Nat. Nanotech.

“我们的水凝胶电极完美地模仿了组织的形状，为微创治疗、个性化医疗设备打开了一扇新的大门”，Christina Tringides说。“电极通常是刚性的，而粘弹性电极可以更紧密地与身体组织接触，在不损害组织的情况下完成工作，为医疗设备提供了一个新的设计方向”，David Mooney说。该团队目前正致力于在更大的动物体内验证这些设备，最终目标是使它们能够在脑肿瘤切除手术和癫痫诊断与治疗等医疗过程中实现应用 ^[1]。

水凝胶电极照片。图片来源：哈佛大学Wyss研究所 ^[1]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues

Christina M. Tringides, Nicolas Vachicouras, Irene de Lázaro, Hua Wang, Alix Trouillet, Bo Ri Seo, Alberto Elosegui-Artola, Florian Fallegger, Yuyoung Shin, Cinzia Casiraghi, Kostas Kostarelos, Stéphanie P. Lacour & David J. Mooney 

Nat. Nanotechnol., 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00926-z

参考文献：

[1] Electrodes that flow to fit the body

https://wyss.harvard.edu/news/electrodes-that-flow-to-fit-the-body/ 

（本文由小希供稿）