非金属的大脑电极：MIT 团队消除电子植入物安全隐患，人造器官、机能修复指日可待

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电子植入物可以提供电脉冲、刺激神经，为人们治疗疾病提供了新思路。但是，许多电子植入物存在与人体排斥的问题，会引起炎症等免疫反应，甚至影响疾病的治疗效果。而聚合物水凝胶由于其无毒亲和的性质，受到越来越多研究电子植入物的科学家们的青睐。

文 | 闻静

随着医学以及其他各领域技术的发展，让过去许多无法克服的疾病、残疾的治愈有了希望。并且，由于生活水平的提高，我们的预期寿命普遍都提高了，那么就有了过去人类发展阶段都未曾面临的问题 -- 衰老，我们既要面对因衰老而出现的新问题，还要满足现代人对生活质量的追求，保证大家都有一个高质量的老年生活。个性化医疗或许是这些问题的一个出路。

电子植入物作为一种生物电子器件，其发展融合了多项技术，并且其本身就具有特异性的特质，契合个性化医疗的发展趋势。

改进电子植入物需要无金属的电极材料

电子植入物的用途越来越广，例如，为了消除心脏手术、大脑手术的负面效应，需要在心脏和大脑中植入电子设备，其可对心脏和大脑进行持续的电刺激；在大脑中的特定位置植入电子设备，可以帮助失明者恢复视力，或者帮助帕金森病患者恢复行动能力；在锁骨下埋入电子设备，与迷走神经连接，可用于治疗比较顽固的癫痫和抑郁症，以及减缓风湿性关节炎和克罗恩病的症状；为了研究人体各部分的运行机制，科学家也会为志愿者的体内植入传感器或者控制器，收集电流、压力、脉冲等数据，以用于生理病理的探究和人工智能的开发。

但是电子植入物的材料通常会跟人体相排斥，引发并发症或者炎症。聚合材料对人体亲和，但是绝大多数聚合材料并不导电。直到上世纪 70 年代，科学家才发现有些聚合材料具有导电性。而金属可导电，广泛应用于电子设备中。有些科学家便试图将聚合材料应用于电子植入物中，作为电极材料，以取代金属。

目前，许多现有的导电聚合物水凝胶不适用于一些先进制造技术，如 3D 打印。而由于生物个体之间普遍具有差异性，为了满足使用者的个性化需求，生物电子器件对特异性要求较高（好比，我们都知道矫正牙齿很贵，牙套、牙箍等需要定制，并且还要根据使用者的牙齿变动情况，定期调整牙套或牙箍），这些无法进行 3D 打印的材料就不适合制造生物电子器件。

能紧密整合在一起，又能无伤分离

近日，美国麻省理工学院（MIT）赵选贺团队在《自然・材料》（Nature Materials）上发表文章，报告了一种高性能的导电聚合物水凝胶 --BC-CPH（bi-continuous conducting polymer hydrogel，即双连续导电聚合物水凝胶）。这种材料在电导率（超过 11S / cm）、拉伸性（超过 400%）和断裂韧性（超过 3300J / m²）上都表现优越。

在该研究中，科学家发现，可以利用调整溶剂的含量，来控制 BC-CPH 材料的粘度。因此，BC-CPH 材料可适用于各种制造方法：低粘度 BC-CPH 材料可用于各种制造方法，包括旋转涂抹和静电纺丝；而高粘度 BC-CPH 材料作为一种可成型和可打印材料显示出良好的流变性能，允许通过基于软光刻的微成型技术来制造 BC-CPH 微结构，以及进行 3D 打印。

根据这种特性，科学家以低含水量 PU 为封装层、BC-CPH 为电学功能层、粘附性水凝胶为粘结层进行多材料 3D 打印，得到的全水凝胶生物电子界面可以与目标组织发生快速、坚固和无缝合的整合。而如果要拆除这种电子植入物，只需要采用特定的分离溶液将生物电子界面与目标组织分离，并不会造成组织损伤。

另外，加上全水凝胶生物电子界面还具有良好的循环特性（单电极阻抗可长期保持稳定，可承受 10000 次的拉伸应变），其可为机体提供长期的电生理功效。

科学家表示，这种高性能的导电聚合物水凝胶材料在机器和生物系统之间提供了一个更好的电气接口，未来在组织工程和再生医学中也会有更广泛的应用。

参考文献：

• https://www.nature.com/articles/s41563-023-01569-2