如果你在网络上搜索“电子植入物”，你会看到各种各样的设备，从传统的心脏起搏器和人工耳蜗，到更未来的仿生皮肤、视网膜微芯片以及脑机接口，这些黑科技使我们切身感受到人类科技的飞速发展。
一些电子植入物又硬又笨重，而另一些则柔韧又薄，但无论它们的形式和功能如何，几乎所有的电子植入物都包含“电极”——一种直接附着在靶标组织上的小导电元件，以电刺激肌肉和神经。
其中，植入式电极主要由具有导电性的硬质金属制成，但随着时间的推移，金属会使组织恶化，造成疤痕和炎症，从而降低电子植入物的性能。因此，开发一种生物组织兼容性优良的电极材料成为该研究领域的重点之一。
今日，麻省理工学院赵选贺团队在 Nature Materials 期刊发表了题为：3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces 的研究论文。
该研究开发了一种不含金属的果冻状材料，它与生物组织一样柔软而坚韧，并且可以像传统金属一样导电。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶——BC-CPH，有望取代医疗器械电极中的金属，引领电子植入物的新潮流。
绝大多数聚合物本质上是绝缘的，这意味着电流很难通过它们。然而，在上世纪70年代，一些聚合物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。近年来，科学家们尝试使用这些导电聚合物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。
这些研究工作主要是通过将导电聚合物颗粒与水凝胶（一种柔软且海绵状的富水聚合物）混合，从而制造柔软而坚韧的导电薄膜和贴片。科学家们希望导电聚合物和水凝胶的结合能产生一种柔性的、生物相容性的、导电的凝胶，但迄今为止，所制造的混合材料要么太脆弱易碎，要么表现出较差的电气性能。
该论文的通讯作者之一、医疗设备初创公司 SanaHeal 的联合创始人 Hyunwoo Yuk 博士表示：在凝胶材料中，电气性能和机械性能总是相互冲突。如果你想要提高凝胶的电气性能，你就必须牺牲机械性能，反之亦然。
但事实上，你必须要做到“我全都要”才能满足需求——既要能导电，又要有弹性和坚固性。这是真正的挑战，也是长久以来科学家们无法将导电聚合物完全由凝胶制成可靠设备的原因。
在这项最新研究中，研究团队发现了一种新的配方来混合导电聚合物和水凝胶，以提高各自成分的电气和机械性能。在此之前，其他研究只是简单地将两种材料进行均匀或随机混合，这种方式只是产生了由随机分散的聚合物颗粒制成的凝胶。
高性能导电聚合物水凝胶——BC-CPH的设计和实现
研究团队意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械性能，这两种成分应该以一种稍微排斥的方式混合，这种状态被称为“相分离”（phase separation）。在这种稍微分离的状态下，每种成分可以连接各自的聚合物，形成长长的微观链，同时也可以作为一个整体混合。
BC-CPH具有良好的电气和机械性能
打个形象的比喻，这就像是在制作一种特殊的、电气和机械“意大利面”。电气意大利面是一种导电聚合物，由于它是连续的，因此可以在材料中传输电流；机械意大利面是水凝胶，它可以传递机械力，并且很坚韧且有弹性。
接下来，研究团队调整了配方，将面条状凝胶煮成“墨水”，然后通过3D打印机将其打印在纯水凝胶薄膜上，其图案类似于传统的金属电极。因为这种凝胶是3D打印的，研究人员可以定制几何形状，这使得为各种器官制造电子接口变得十分简单。
基于3D打印制造而适用于各种应用
不仅如此，研究团队还将3D打印出来的果冻状电极植入大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓，以测试其电气和机械性能。他们发现，这些电极可以在长达两个月的时间里始终保持稳定，并且周围组织几乎没有炎症或疤痕。此外，这些果冻状电极还能够将来自心脏的电脉冲传递到外部监测器，并将小脉冲传递到坐骨神经和脊髓，从而刺激相关肌肉和四肢的运动活动。
3D打印单片水凝胶生物电子界面
展望未来，这种新材料可以应用于心脏手术后恢复的人身上。这些病人需要几周的电支持来避免心脏病发作的手术副作用，因此，医生会在患者的心脏表面缝合一个金属电极，并刺激它数周。研究团队开发的果冻状电极可以代替这些金属电极，以最大限度地减少并发症和副作用。
目前，研究团队正在努力延长材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以用来制作多种器官和长期电子植入物（包括心脏起搏器和深部脑刺激器）之间的软电界面，使植入更无害。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01569-2
转自：“生物世界”微信公众号
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