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电极流动以适应身体

金属电极阵列常用于需要在体内监测或传送电脉冲的医疗程序,如脑部手术和癫痫绘图。然而,组成它们的金属和塑料材料是硬的和不灵活的,而人体组织是软的和可塑的。这种不匹配限制了电极阵列可以成功使用的位置,也需要应用大量的电流来“跳跃”电极和目标之间的间隙。

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)的一组科学家受到活的人体组织的独特物理特性的启发,创造出了灵活的、无金属的电极阵列,紧贴着人体无数的形状,从大脑深处的褶皱到心脏的纤维神经。这种紧密的拥抱可以记录并以较低的所需电压刺激电脉冲,使其能够在身体难以触及的部位使用,并将对脆弱器官的损伤风险降至最低。

“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,”维斯研究所和哈佛生物物理学项目的研究生、第一作者克里斯蒂娜·特林吉德斯(Christina Tringides)说。这项成果发表在《自然·纳米技术》杂志上。

一种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”
1即会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,特金吉德斯决定尝试创造完全粘弹性电极,这种电极可以与大脑的电极相匹配,从而更安全、更有效地监测神经电。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,硬度比大脑高一百万倍。

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组织相适应。在对不同类型的水凝胶进行实验后,他们确定了一种最接近大脑和心脏组织力学特性的版本。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,海藻酸水凝胶与潜在的模拟大脑的接触量是其他材料的两倍,而且甚至能够进入大脑的一些深沟槽。当他们将这些材料放在模拟大脑上两周后,弹性材料已经从原来的位置大幅移动,从下面的模拟组织中移除时,弹性材料立即恢复到原来的形状。相比之下,藻酸盐水凝胶在去除后一直保持原位,并保持其脑样形状。

随波逐流

现在这个团队有了一种可以弯曲和绕着组织流动的材料,他们必须发明一种电极来做同样的事情。绝大多数电极是由金属制成的,因为金属具有很高的导电性,但也非常坚硬和不灵活。

经过多次实验和深夜的实验室,该团队确定石墨烯薄片和碳纳米管的组合为他们的首选。“这些材料的部分优势在于它们狭长的形状。这有点像把一盒生意大利面扔在地板上——因为面条都又长又细,它们很可能会在多个点上交叉。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。”

“我们的水凝胶电极可以很好地塑造放置在任何组织上的形状,这为低侵入性、个性化医疗设备的创造打开了方便之门。”” -克里斯蒂娜·特林吉德斯

当这些像意大利面条一样的材料被嵌入藻酸盐水凝胶中,它们在凝胶中纵横交错,形成多孔的导电通道,电流可以通过这些通道传播。这些灵活的电极可以弯曲超过180度,并打成结而不断裂,使它们成为粘弹性藻酸盐水凝胶的完美搭档。

为了把这一切放在一起,研究小组用一种叫做PDMS的自愈合硅聚合物绝缘层包裹他们的新导电电极,然后将其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,可以被拉伸到其长度的10倍而不会断裂或撕裂。当活体脑细胞如星形胶质细胞和神经元在该设备上生长时,细胞没有显示出损伤或其他负面影响,这表明该设备可以安全地用于活体组织。

一种更安全手术的替代阵列

然后,研究小组将他们的新粘弹性电极阵列连接到老鼠心脏上,在真实的条件下进行了测试。该装置在组织移动时保持原位,并在成千上万次的肌肉收缩中保持完整。然后研究人员按比例放大,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,设备即使弯曲超过180度也不会滑动。相比之下,商用电极阵列在弯曲超过90度时就不能与牛的心脏保持接触。

最后,该粘弹性电极阵列成功地用于刺激神经和记录电活动。当该装置被连接到一只活老鼠的后腿上时,研究人员通过改变传递刺激的电极的类型,成功地刺激了不同的肌肉收缩。然后在手术期间,他们将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,它被弯曲附着在难以触及的区域,在使用过程中没有对动物造成伤害。

“这种设备的粘弹性标志着医疗设备的一个新方向,这些设备通常被设计成纯弹性的,”通讯作者戴夫·穆尼(Dave Mooney)说,他是维斯核心学院成员和研究所免疫材料平台的负责人。“如果采取相反的方法,我们就能更紧密地与人体组织结合,在不损伤组织的情况下,提供更有效的结合。”穆尼也是海洋工程学院罗伯特·p·平卡斯家族生物工程教授。

该团队正在继续开发他们的设备,目前正在对更大的动物进行体内验证,最终目标是在诸如脑瘤切除手术和癫痫绘图等医疗程序中使用它们。他们还希望这项新技术能够使电子记录和刺激能够在目前商业设备无法达到的身体部位进行。

“我喜欢这个团队用来解决半刚性电极问题的创新思维,他们挑战了必须由金属和固体塑料制成才能有效的假设。这种设计思维,解决问题,并欣赏生活系统的力学匹配的重要性是我们努力培养和鼓励Wyss研究所,这是一个很好的例子的好处,可以获得结果,“不因格贝尔说Wyss研究所的创始董事。Ingber还是哈佛医学院的Judah Folkman血管生物学教授,波士顿儿童医院的血管生物学项目教授,以及SEAS的生物工程教授。

该论文的其他作者包括Nicolas Vachicouras、Alix Trouillet、Florian Fallegger和Stéphanie P Lacour,来自École Polytechnique Fédérale de Lausanne,瑞士;来自Wyss研究所和SEAS的Irene de Lázaro, Wang Hua, Bo Ri Seo和Alberto Elosegui-Artola;来自英国曼彻斯特大学的Yuyoung Shin和Cinzia Casiraghi;以及来自曼彻斯特大学和西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所的Kostas Kostarelos。

这项研究得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、哈佛大学维斯生物启发工程研究所、美国国家牙科研究所等的支持。颅面研究,尤尼斯肯尼迪施莱佛国家儿童健康研究所;人类发展,欧盟的地平线2020研究和创新计划,EPSRC, Bertarelli基金会,Wyss中心日内瓦和SNSF Sinergia。

文章旨在传播新闻信息,原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/06/new-metal-free-hydrogel-electrodes-flex-to-fit-the-bodys-many-shapes/