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MIT研發(fā)出一款可打印的無(wú)金屬柔性電極 |
| 發(fā)布時(shí)間：2023/7/28 |
| 過(guò)往人們的印象當中，電路板和電極是由金屬和塑料等組成。這次，美國麻省理工學(xué)院（MIT）開(kāi)發(fā)出一種不含金屬卻可以像傳統金屬一樣導電的凝膠電極，這種電極在未來(lái)有望取代醫療設備中的金屬電極。 絕大多數聚合物在本質(zhì)上屬于絕緣體，這意味著(zhù)電流不容易通過(guò)，但有少數特殊的聚合物可以讓電流通過(guò)，因此，越來(lái)越多的實(shí)驗室嘗試使用導電聚合物來(lái)制造無(wú)金屬電極，同時(shí)希望它是具有柔性、生物相容性和導電性的凝膠。  這次，MIT研究團隊克服了過(guò)往導電性的凝膠成品太脆弱等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出高導電聚合物水凝膠（BC-CPH）。該凝膠不含金屬呈果凍狀，可以像生物組織一樣具有高拉伸性、強堅韌性且可以像傳統金屬一樣擁有高導電率。他們將該成果寫(xiě)成論文，在6月發(fā)表至《自然》雜志。 這種具有導電特性的聚合物水凝膠（BC-CPH），可以透過(guò)3D打印出來(lái)，墨水主要由親水性的聚氨酯（PU）和導電性的聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）共同組成。 為了試驗BC-CPH在強力拉伸后的形變狀況。他們將BC-CPH拉伸超過(guò)原本大小的200%后，物體能夠完全恢復至原本的彈性和形狀。 論文解釋說(shuō)，這是PEDOT:PSS讓BC-CPH內部保持平衡，使其擁有超過(guò)3,300 J/m2的斷裂韌性，而B(niǎo)C-CPH的高拉伸性主要是親水性聚氨酯起到作用。 實(shí)驗團隊測試BC-CPH的電氣和電化學(xué)性能，發(fā)現其擁有超過(guò)11S/cm1的超高導電率，即使將BC-CPH拉長(cháng)100%，并重復超過(guò)5,000次拉伸動(dòng)作，它的性質(zhì)依然沒(méi)有什么改變。 另外，他們將BC-CPH進(jìn)行超過(guò)10,000次的高電流充放電循環(huán)。其電荷存儲容量（CSC）比白金（Pt）電極高出20倍以上、電流注入能力比Pt電極高3倍以上。 另外，他們分別將BC-CPH材料存放到磷酸鹽緩沖生理鹽水（PBS）、溫度37°C含酶的PBS環(huán)境中180天和28天，材料依然保持良好的電氣和機械性能。放置溫度37°C含酶的PBS環(huán)境，主要是模仿生物的身體內環(huán)境。 另外，他們可以透過(guò)控制墨水中溶劑的量改變BC-CPH墨水的黏度，而不同黏度的墨水制備得到的BC-CPH能夠保持穩定的電學(xué)和機械性能。 由于高黏度BC-CPH墨水的塑形性、流動(dòng)和變形性較高，符合團隊3D打印需求，因此他們利用高黏度墨水打印出50微米的線(xiàn)條用于實(shí)驗測試。 初步測試成功后，他們將BC-CPH墨水打印成線(xiàn)路，再用絕緣水凝膠封裝，最終形成長(cháng)約3公分、寬約1公分的電路板貼片。該電路板貼片輕薄、柔軟且富有超高延展性，能夠在10,000次循環(huán)正常拉扯中保持穩定的電阻。 他們將這種電路板貼片接口對準實(shí)驗大鼠的心臟、坐骨神經(jīng)和脊髓進(jìn)行電生理記錄。結果顯示，BC-CPH電路板貼片成功記錄大鼠的心臟、坐骨神經(jīng)和脊髓的電生理圖，并向坐骨神經(jīng)和脊髓傳遞小脈沖，以刺激相關(guān)肌肉和四肢的運動(dòng)。 另外，MIT平面磨床研究團隊還測試了這種BC-CPH電路板貼片對于老鼠細胞是否有害。他們將該貼片貼在老鼠內部組織，進(jìn)行了長(cháng)達2個(gè)月的試驗，發(fā)現裝置始終保持穩定，部分組織也只出現非常輕微的炎癥，幾乎可以忽略不計。 以上實(shí)驗證明，其能夠長(cháng)時(shí)間用于生物體內，而該團隊希望，這種新材料未來(lái)有一天可以取代金屬，用于生物電子植入物和其它醫療設備上。 MIT平面磨床機械工程和土木與環(huán)境工程博士周濤（Tao Zhou）對MIT新聞室說(shuō)：“我們相信這是第一個(gè)擁有堅韌和果凍狀特征的電極，它未來(lái)很可能取代那些用來(lái)刺激神經(jīng)、心臟、大腦和體內其它器官連接的金屬電極?！?br /> 另外，實(shí)驗室的玉賢宇（Hyunwoo Yuk）博士表示：“過(guò)往，醫生為了避免那些從心臟手術(shù)中恢復的患者因手術(shù)副作引起心臟病的發(fā)作，需要在患者心臟表面縫合金屬電極，持續刺激數周，但那仍有風(fēng)險。這次，我們希望用新開(kāi)發(fā)的凝膠取代這些金屬電極，以盡量減少人們出現并發(fā)癥和副作用?！?br /> 周濤補充說(shuō)：“我們小組的目標是用果凍狀的東西取代體內的玻璃、陶瓷和金屬，因為這種材料不僅性能更好，也更加溫和，可以在人體內維持很長(cháng)一段時(shí)間?！?br /> 未來(lái)該團隊會(huì )朝努力延長(cháng)BC-CPH的使用壽命和性能發(fā)展，讓BC-CPH可以用于人類(lèi)器官和長(cháng)期植入人體（包括起搏器和深部腦刺激器）的接口。這項研究得到了美國國立衛生研究院的支持。 |
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