用图片搜索"电子植入物"，你会发现各种各样的设备，从传统的心脏起搏器和人工耳蜗到更多未来的大脑和视网膜微芯片，旨在增强视力、治疗抑郁症和恢复行动能力。一些植入物是坚硬和笨重的，而另一些则是灵活和薄的。但无论其形式和功能如何，几乎所有的植入物都包含电极--直接附着在目标组织上的小型导电元件，以电击刺激肌肉和神经。

麻省理工学院的工程师们开发了一种不含金属、类似果冻的材料，它像生物组织一样柔软和坚韧，并能与传统金属类似地导电。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代医疗设备电极中的金属。

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植入式电极主要由刚性金属制成，其本质是导电的。但随着时间的推移，金属会加重组织的负担，造成疤痕和炎症，反过来又会降低植入物的性能。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种不含金属、类似果冻的材料，它和生物组织一样柔软坚韧，并且可以和传统金属一样导电。这种材料可以被制成可打印的墨水，研究人员将其图案化为灵活的橡胶状电极。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代金属，成为功能性的凝胶型电极，具有生物组织的外观和感觉。

"这种材料的操作与金属电极相同，但由凝胶制成，与我们的身体相似，并具有类似的水含量，"医疗设备创业公司SanaHeal的联合创始人Hyunwoo Yuk SM "16 PhD "21说。"它就像一个人造组织或神经。"

麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵煊赫补充说："我们相信，我们第一次有了一种坚韧、牢固、类似果冻的电极，有可能取代金属来刺激神经，并与心脏、大脑和身体的其他器官对接。"

赵、Yuk以及麻省理工学院和其他地方的其他人在《自然-材料》上报告了他们的结果。该研究的共同作者包括第一作者和麻省理工学院的前博士后周涛，他现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授，以及江西科技师范大学和上海交通大学的同事。

一个真正的挑战

绝大多数聚合物在本质上是绝缘的，这意味着电力不容易通过它们。但是，存在着一小部分特殊的聚合物，它们实际上可以通过其主体传递电子。一些导电聚合物在20世纪70年代首次被证明具有高导电性--这项工作后来被授予诺贝尔化学奖。

最近，包括Zhao实验室的研究人员已经尝试使用导电聚合物来制造柔软的无金属电极，用于生物电子植入物和其他医疗设备。这些努力旨在制造柔软而坚韧的导电薄膜和贴片，主要是通过将导电聚合物的颗粒与水凝胶（一种柔软和海绵状的富水聚合物）混合。

研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合将产生一种灵活的、生物相容的和导电的凝胶。但是到目前为止，制成的材料要么太弱太脆，要么表现出糟糕的电性能。

Yuk说："在凝胶材料中，电气和机械性能总是相互对抗。"如果你改善凝胶的电性能，你必须牺牲机械性能，反之亦然。但在现实中，我们两者都需要： 一种材料应该是导电的，同时也是有弹性和坚固的。这是真正的挑战，也是人们无法将导电聚合物制成完全由凝胶制成的可靠设备的原因。"

在他们的新研究中，Yuk和他的同事们发现他们需要一种新的配方，将导电聚合物与水凝胶混合，以增强各自成分的电气和机械性能。

Yuk说："人们以前依赖于这两种材料的均匀、随机混合。这种混合物产生了由随机分散的聚合物颗粒组成的凝胶。该小组意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，两种成分应以它们略微排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种略微分离的状态下，每种成分就可以将其各自的聚合物连接起来，形成长长的微观链，同时也作为一个整体进行混合。"

"想象一下，我们正在制作电气和机械意大利面条，"赵提出。"电学意大利面条是导电聚合物，它现在可以在材料上传输电力，因为它是连续的。而机械意大利面条是水凝胶，它可以传递机械力，并具有韧性和伸展性，因为它也是连续的。"

研究人员随后调整了配方，将意大利面条的凝胶煮成墨水，他们将其送入3D打印机，并打印在纯水凝胶的薄膜上，图案类似于传统的金属电极。

第一作者Zhou说："因为这种凝胶是可3D打印的，我们可以定制几何和形状，这使得它很容易为各种器官制造电接口。"

研究人员随后将打印好的类似果冻的电极植入了大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。研究小组在动物身上测试了电极的电气和机械性能长达两个月，发现这些装置在整个过程中保持稳定，周围组织几乎没有炎症或疤痕。电极还能够将来自心脏的电脉冲传递给外部显示器，并向坐骨神经和脊髓提供小脉冲，这反过来又刺激了相关肌肉和肢体的运动活动。

展望未来，Yuk设想，这种新材料的直接应用可能是用于从心脏手术中恢复的人。

"这些病人需要几周的电力支持，以避免心脏病发作，这是手术的一个副作用，"Yuk说。"因此，医生在心脏表面缝合一个金属电极，并在数周内刺激它。我们可能会用我们的凝胶取代那些金属电极，以最大限度地减少并发症和副作用，目前人们只是接受。"

该团队正在努力延长该材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以作为器官和长期植入物之间的软电接口，包括心脏起搏器和深脑刺激器。

赵说："我们小组的目标是用类似Jell-O的东西来取代体内的玻璃、陶瓷和金属，这样它就更加良性，但性能更好，而且可以持续很长时间。这是我们的希望。"

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