新型的無金屬水凝膠電極可以柔性貼合身體的任何形狀，避免了對于器官帶來的損害。

       金屬電極陣列經(jīng)常被用于醫(yī)療中，用來監(jiān)測和傳遞身體電信號，像腦部外科手術(shù)、癲癇映射。然而，金屬和塑料材料所構(gòu)成的傳感器通常不是柔性的，而身體組織是柔軟可變性的。這種不匹配限制了電極陣列成功應用的地方，同樣還需要用很多電流“克服”電極和目標件的差距。

       受人體組織物理特性的啟發(fā)，哈弗韋斯研究所和約翰保爾森工程與應用科學學院的研究團隊發(fā)明了一種柔性無金屬電極陣列，可以僅僅地覆形身體多種形狀，從腦補的深褶皺到心臟的神經(jīng)纖維。這種親密的接觸可以使得電流脈沖能夠被準確記錄，且需要很少的電壓驅(qū)動，使其可以應用于很難到達的身體區(qū)域，最小減少對柔弱組織器官損害的風險。

      “水凝膠基的電極可以適應于任何組織形狀，打開了創(chuàng)造無排異、個性化的醫(yī)療器件?！?第一作者Christina談到。這項成果在Nature Nanotechnology中報道。

不像標準的電極是通過硬質(zhì)金屬件制成，水凝膠電極是通過碳納米管和石墨烯嵌入至超柔性的海藻酸水凝膠中實現(xiàn)導通

醫(yī)療器件受人體所啟發(fā)

       所有活性組織的一個特征，尤其是腦部和脊髓，其是粘彈性的，當施加的外力釋放是會縮回至原有的形狀，當壓力持續(xù)維持將會永久破壞成一個新的形狀。一個常見的案例是耳朵測量計，在穿孔的耳朵中其中放置一個越來越大的測量計，隨著時間推移耳洞會被拉長。

       Christina和她團隊在韋斯研究所實現(xiàn)了海藻酸水凝膠的開發(fā)，其功能包括外科粘接劑和單胞封裝，也是粘彈性的，需要和組織的粘彈性保持一致。考慮到神經(jīng)工程的背景，Christina決定嘗試創(chuàng)造全新的粘彈性電極，其能夠與大腦的粘彈性匹配，其能夠保證更安全和更有效的神經(jīng)監(jiān)測。標準電極是由包含塑料薄膜的金屬導電陣列所組成，其比腦部硬數(shù)百萬倍。

        團隊第一次任務是測試海藻酸硅膠能夠成功覆形活體組織。通過對不同類型的水凝膠進行測試后，他們確定了一個型號能夠緊密貼合腦部的機械特征，他們將由像明膠制成的水凝膠放置在假腦上，與塑性材料和彈性材料對比了性能。

      海藻酸凝膠與腦部的接觸相比其他材料要高出兩倍多，甚至可以深入至腦部很多深槽中。當他們將這種材料放置在腦部仿品上兩周后，取下來的彈性材料實質(zhì)上已經(jīng)從原來的位置縮回至原始的形狀。相反，海藻酸凝膠在取下后仍能保持在原來的位置以及維持類腦部的形狀。

順勢而流

      現(xiàn)在團隊已經(jīng)有一種材料能夠隨著組織進行彎曲和流動，他們也發(fā)明了一種電極具有同樣的功能?，F(xiàn)有大量的電極都是通過金屬制成，因為金屬具有高的導電性，但是非常硬，沒法彎折。

        通過很多試驗后，團隊確認了通過石墨烯片和碳納米管的結(jié)合作為他們的首選。這些材料的優(yōu)勢在于其長而窄的形狀。有點像在地板上投擲一箱沒有煮過的意大利面條。由于面條長而細，它們會形成很多交叉點。如果在地板上拋擲的是一些短而圓形狀的東西，像大米，很多顆粒直接是無法相互接觸的。

掃描電鏡圖片展示了電極中石墨烯和碳納米管組分特寫。這些材料形成很多交叉點，為電流提供了連續(xù)通路。

   當這些像通心粉狀的材料被嵌入海藻酸凝膠中，它們在凝膠中通過交織的方式創(chuàng)造出多孔結(jié)構(gòu)，導電路徑能夠?qū)崿F(xiàn)電流通路。這些柔性電極能夠彎曲超過180°而不會出來開裂，使其可以作為粘彈性海藻酸凝膠很好的搭配者。

   為了將兩者聯(lián)合在一起，團隊采用自愈合硅膠樹脂材料（PDMS）包覆電極，這樣形成了兩層海藻酸凝膠與電極的夾層結(jié)構(gòu)。形成的這個器件具有高柔性，能夠拉伸自身長度的10倍而不會出現(xiàn)斷裂或者撕裂。當活體腦部細胞像星型膠質(zhì)細胞和神經(jīng)細胞會在這個器件上生長，且細胞顯示沒有破壞或者其他副作用，意味著器件能夠安全在活體組織上使用。

更安全外科手術(shù)可選的電極陣列

   團隊接著通過粘附其在小鼠心臟上測試了他們新的粘彈性電極陣列。在動作時器件仍然停留在組織上，在肌肉收縮數(shù)萬次仍保持其接觸。研究人員同比例放大，將他們的器件附在鼠腦上、鼠心臟以及牛心臟上，所有器件都沒有損害及滑動松弛，即使在彎曲超過180°的時候也沒有。相反商業(yè)電極陣列在彎曲超過90°時不會一直保持與牛的心臟接觸。

      最終，粘彈性電極陣列被成功用于在活體中刺激神經(jīng)和記錄電活動。當器件粘附在活體小鼠的后腿部，研究人員成功地通過不同電極信號刺激了不同肌肉的收縮。他們在外科手術(shù)時粘附器件至小鼠心臟和大鼠腦部。心臟和腦部的電活動通過器件被成功記錄，其可以粘附至很難接觸的區(qū)域，在使用過程中也不會造成對動物造成傷害。

       器件的粘彈性意味著醫(yī)療器件的新方向，以前通常被設(shè)計為純彈性。通過這種方法，可以與身體組織更緊密的接觸，可以實現(xiàn)更多功能的交互界面而不破壞組織。

      團隊仍在繼續(xù)開發(fā)他們的器件，正在更大動物活體中驗證，目標是在像腦部腫瘤移除、癲癇掃描等醫(yī)療過程中可以應用這類器件。他們同樣希望這項新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)局部身體的電活動記錄和刺激，目前商業(yè)器件還難以實現(xiàn)。

凝膠電極可以覆形適應身體很多不平整的表面和縫隙而不會破壞目標組織

       器件的粘彈性標志著醫(yī)療器件的新方向，它們可以與身體組織貼合的很緊密，允許更多的功能界面而不會破壞組織。