受活体人体组织独特物理特性的启发，来自哈佛大学 Wyss 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灵活的、无金属的电极阵列，可紧密贴合身体的无数形状，从大脑的深褶皱到心脏的纤维神经。这种紧密的拥抱允许以较低的所需电压记录刺激电脉冲，使其能够在身体难以触及的区域中使用，并最大限度地减少对脆弱器官造成损伤风险。    

“我们以水凝胶为基础的电极可以很好地形成放置在任何组织上的形状，这为低侵入性、个性化医疗设备的容易创造打开了大门，”Wyss研究所和哈佛生物物理学项目的研究生、第一作者斯Christina Tringides说。

与由刚性金属组件制成的标准电极不同，水凝胶电极通过将碳纳米管和石墨烯薄片嵌入超灵活的海藻酸水凝胶中来实现导电。(图片来源:哈佛大学维斯研究所)

该成果在Nature Nanotechnology( https://doi.org/10.1038/s41565-021-00926-z ) 中有所报道。

所有生物组织的特点之一，特别是大脑和脊髓,是它们的“粘弹性”——也就是说，如果对它们施加压力，然后释放,它们会弹回原来的形状，但如果持续施加压力，则会永久变形产生一个新的形状。一个常见的例子是测耳，将一个越来越大的量规放入穿孔的耳朵中，随着时间的推移，耳垂上的孔会被拉长。

Tringides和她的团队意识到，海藻酸盐水凝胶也具有粘弹性，这种水凝胶由Wyss研究所开发，具有多种功能，包括手术粘合剂和单细胞封装。他们认为海藻酸盐水凝胶应该能够调整它们以匹配组织的粘弹性。考虑到她在神经工程方面的背景，Tringides决定尝试创造完全粘弹性电极，以匹配大脑的粘弹性，从而更安全、更有效地神经电监测。标准的电极由一层薄薄的塑料薄膜内的金属导电阵列制成，其硬度高达大脑的一百万倍。    

该团队的第一个任务是测试他们的藻酸盐水凝胶是否能够成功地贴合生物组织。在对不同类型的水凝胶进行试验后，他们确定了一种与大脑和心脏组织的机械特性最匹配的版本。然后，他们将水凝胶放在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的性能进行比较。

与其他材料相比，藻酸盐水凝胶与底层模拟大脑的接触量增加了一倍，甚至能够深入到大脑的许多深沟中。当他们将材料留在模拟大脑上两周时，弹性材料已从其原始位置大幅移动，并在从下面的模拟组织中取出时立即恢复原状。相比之下，藻酸盐水凝胶在整个过程中都保持原位，并在移除后保持其类似大脑的形状。   

随波逐流

既然团队有了一种可以在组织周围弯曲和流动的材料，他们必须发明一种可以做同样事情的电极。绝大多数电极由金属制成，因为金属具有高度的导电性——但也非常坚硬和不灵活。 

扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示了电极石墨烯薄片和碳纳米管组件的特写。这些材料在许多点相互交叉，为电流流动创造了一条连续的路径。（图片：哈佛大学 Wyss 研究所）    

在实验室进行了多次实验后，该团队确定了石墨烯薄片和碳纳米管的组合作为他们的最佳候选者。“这些材料的部分优势在于它们长而窄的形状。这有点像把一盒生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相互交叉。如果你把一些更短更圆的东西扔在地板上，比如大米，很多谷粒根本不会接触到，”Tringides说。

当这些面条状材料嵌入藻酸盐水凝胶中时，它们在凝胶中纵横交错，形成多孔的导电通路，电流可以通过这些通路传播。这些柔性电极可以弯曲 180 度以上并打结而不会断裂，这使它们成为粘弹性藻酸盐水凝胶的完美搭档。   

总而言之，该团队用称为 PDMS 的自修复有机硅聚合物绝缘层包围了他们的新导电电极，然后将其夹在两层藻酸盐水凝胶之间。由此产生的装置非常灵活，可以拉伸至其长度的 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设备上生长时，这些细胞没有显示出任何损伤或其他负面影响，表明该设备可以安全地用于活组织。   

然后，该团队通过将其连接到小鼠心脏，在真实条件下测试了他们的新粘弹性电极阵列。该装置在移动时保持在组织上的位置，并在数万次肌肉收缩后保持完整。然后研究人员按比例放大，将他们的设备连接到大鼠大脑、大鼠心脏和牛心脏，所有这些设备都没有受到损坏，设备也没有滑动，即使弯曲超过 180 度。相比之下，当弯曲超过 90 度时，商用电极阵列不会与牛心脏保持接触。  

水凝胶电极可以“流动”以适应身体许多不平整的表面和裂缝，而不会损坏脆弱的组织。它显示在由凝胶状琼脂糖制成的假“大脑”上。（图片：哈佛大学 Wyss 研究所）    

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。当该设备连接到活老鼠的后腿时，研究人员通过改变几个电极中的哪一个来传递刺激，成功地刺激了不同的肌肉收缩。然后，他们在手术期间将他们的设备连接到老鼠心脏和大脑。该设备成功记录了心脏和大脑的电活动，该设备弯曲以附着在难以触及的区域，并且在使用过程中不会对动物造成伤害。 

“该设备的粘弹性标志着医疗设备的新方向，这些设备通常被设计为纯弹性，”通讯作者 Dave Mooney 博士说，他是 Wyss 核心教员和研究所免疫材料的负责人。“通过采取相反的方法，我们可以更紧密地与身体组织接触，从而在不损坏组织的情况下提供更多功能的界面。” Mooney 还是 SEAS 的 Robert P. Pinkas 生物工程教授。   

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，最终目标是使它们可用于脑肿瘤切除手术和癫痫测绘等医疗程序。他们还希望这项新技术能够在目前市售设备无法访问的身体部位进行电记录和刺激。 

Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissuesTringides, C.M., Vachicouras, N., de Lázaro, I. et al. Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00926-z