新闻报道
MIT研发出一款可打印的无金属柔性电极 |
| 发布时间：2023/7/28 |
| 过往人们的印象当中，电路板和电极是由金属和塑料等组成。这次，美国麻省理工学院（MIT）开发出一种不含金属却可以像传统金属一样导电的凝胶电极，这种电极在未来有望取代医疗设备中的金属电极。 绝大多数聚合物在本质上属于绝缘体，这意味着电流不容易通过，但有少数特殊的聚合物可以让电流通过，因此，越来越多的实验室尝试使用导电聚合物来制造无金属电极，同时希望它是具有柔性、生物相容性和导电性的凝胶。  这次，MIT研究团队克服了过往导电性的凝胶成品太脆弱等问题，开发出高导电聚合物水凝胶（BC-CPH）。该凝胶不含金属呈果冻状，可以像生物组织一样具有高拉伸性、强坚韧性且可以像传统金属一样拥有高导电率。他们将该成果写成论文，在6月发表至《自然》杂志。 这种具有导电特性的聚合物水凝胶（BC-CPH），可以透过3D打印出来，墨水主要由亲水性的聚氨酯（PU）和导电性的聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）共同组成。 为了试验BC-CPH在强力拉伸后的形变状况。他们将BC-CPH拉伸超过原本大小的200%后，物体能够完全恢复至原本的弹性和形状。 论文解释说，这是PEDOT:PSS让BC-CPH内部保持平衡，使其拥有超过3,300 J/m2的断裂韧性，而BC-CPH的高拉伸性主要是亲水性聚氨酯起到作用。 实验团队测试BC-CPH的电气和电化学性能，发现其拥有超过11S/cm1的超高导电率，即使将BC-CPH拉长100%，并重复超过5,000次拉伸动作，它的性质依然没有什么改变。 另外，他们将BC-CPH进行超过10,000次的高电流充放电循环。其电荷存储容量（CSC）比白金（Pt）电极高出20倍以上、电流注入能力比Pt电极高3倍以上。 另外，他们分别将BC-CPH材料存放到磷酸盐缓冲生理盐水（PBS）、温度37°C含酶的PBS环境中180天和28天，材料依然保持良好的电气和机械性能。放置温度37°C含酶的PBS环境，主要是模仿生物的身体内环境。 另外，他们可以透过控制墨水中溶剂的量改变BC-CPH墨水的黏度，而不同黏度的墨水制备得到的BC-CPH能够保持稳定的电学和机械性能。 由于高黏度BC-CPH墨水的塑形性、流动和变形性较高，符合团队3D打印需求，因此他们利用高黏度墨水打印出50微米的线条用于实验测试。 初步测试成功后，他们将BC-CPH墨水打印成线路，再用绝缘水凝胶封装，最终形成长约3公分、宽约1公分的电路板贴片。该电路板贴片轻薄、柔软且富有超高延展性，能够在10,000次循环正常拉扯中保持稳定的电阻。 他们将这种电路板贴片接口对准实验大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓进行电生理记录。结果显示，BC-CPH电路板贴片成功记录大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓的电生理图，并向坐骨神经和脊髓传递小脉冲，以刺激相关肌肉和四肢的运动。 另外，MIT平面磨床研究团队还测试了这种BC-CPH电路板贴片对于老鼠细胞是否有害。他们将该贴片贴在老鼠内部组织，进行了长达2个月的试验，发现装置始终保持稳定，部分组织也只出现非常轻微的炎症，几乎可以忽略不计。 以上实验证明，其能够长时间用于生物体内，而该团队希望，这种新材料未来有一天可以取代金属，用于生物电子植入物和其它医疗设备上。 MIT平面磨床机械工程和土木与环境工程博士周涛（Tao Zhou）对MIT新闻室说：“我们相信这是第一个拥有坚韧和果冻状特征的电极，它未来很可能取代那些用来刺激神经、心脏、大脑和体内其它器官连接的金属电极。” 另外，实验室的玉贤宇（Hyunwoo Yuk）博士表示：“过往，医生为了避免那些从心脏手术中恢复的患者因手术副作引起心脏病的发作，需要在患者心脏表面缝合金属电极，持续刺激数周，但那仍有风险。这次，我们希望用新开发的凝胶取代这些金属电极，以尽量减少人们出现并发症和副作用。” 周涛补充说：“我们小组的目标是用果冻状的东西取代体内的玻璃、陶瓷和金属，因为这种材料不仅性能更好，也更加温和，可以在人体内维持很长一段时间。” 未来该团队会朝努力延长BC-CPH的使用寿命和性能发展，让BC-CPH可以用于人类器官和长期植入人体（包括起搏器和深部脑刺激器）的接口。这项研究得到了美国国立卫生研究院的支持。 |
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