任意贴合人体的电极

       新型的无金属水凝胶电极可以柔性贴合身体的任何形状，避免了对于器官带来的损害。

       金属电极阵列经常被用于医疗中，用来监测和传递身体电信号，像脑部外科手术、癫痫映射。然而，金属和塑料材料所构成的传感器通常不是柔性的，而身体组织是柔软可变性的。这种不匹配限制了电极阵列成功应用的地方，同样还需要用很多电流“克服”电极和目标件的差距。

       受人体组织物理特性的启发，哈弗韦斯研究所和约翰保尔森工程与应用科学学院的研究团队发明了一种柔性无金属电极阵列，可以仅仅地覆形身体多种形状，从脑补的深褶皱到心脏的神经纤维。这种亲密的接触可以使得电流脉冲能够被准确记录，且需要很少的电压驱动，使其可以应用于很难到达的身体区域，最小减少对柔弱组织器官损害的风险。

      “水凝胶基的电极可以适应于任何组织形状，打开了创造无排异、个性化的医疗器件。”-第一作者Christina谈到。这项成果在Nature Nanotechnology中报道。

不像标准的电极是通过硬质金属件制成，水凝胶电极是通过碳纳米管和石墨烯嵌入至超柔性的海藻酸水凝胶中实现导通

医疗器件受人体所启发

       所有活性组织的一个特征，尤其是脑部和脊髓，其是粘弹性的，当施加的外力释放是会缩回至原有的形状，当压力持续维持将会永久破坏成一个新的形状。一个常见的案例是耳朵测量计，在穿孔的耳朵中其中放置一个越来越大的测量计，随着时间推移耳洞会被拉长。

       Christina和她团队在韦斯研究所实现了海藻酸水凝胶的开发，其功能包括外科粘接剂和单胞封装，也是粘弹性的，需要和组织的粘弹性保持一致。考虑到神经工程的背景，Christina决定尝试创造全新的粘弹性电极，其能够与大脑的粘弹性匹配，其能够保证更安全和更有效的神经监测。标准电极是由包含塑料薄膜的金属导电阵列所组成，其比脑部硬数百万倍。

        团队第一次任务是测试海藻酸硅胶能够成功覆形活体组织。通过对不同类型的水凝胶进行测试后，他们确定了一个型号能够紧密贴合脑部的机械特征，他们将由像明胶制成的水凝胶放置在假脑上，与塑性材料和弹性材料对比了性能。

      海藻酸凝胶与脑部的接触相比其他材料要高出两倍多，甚至可以深入至脑部很多深槽中。当他们将这种材料放置在脑部仿品上两周后，取下来的弹性材料实质上已经从原来的位置缩回至原始的形状。相反，海藻酸凝胶在取下后仍能保持在原来的位置以及维持类脑部的形状。

顺势而流

      现在团队已经有一种材料能够随着组织进行弯曲和流动，他们也发明了一种电极具有同样的功能。现有大量的电极都是通过金属制成，因为金属具有高的导电性，但是非常硬，没法弯折。

        通过很多试验后，团队确认了通过石墨烯片和碳纳米管的结合作为他们的首选。这些材料的优势在于其长而窄的形状。有点像在地板上投掷一箱没有煮过的意大利面条。由于面条长而细，它们会形成很多交叉点。如果在地板上抛掷的是一些短而圆形状的东西，像大米，很多颗粒直接是无法相互接触的。

扫描电镜图片展示了电极中石墨烯和碳纳米管组分特写。这些材料形成很多交叉点，为电流提供了连续通路。

   当这些像通心粉状的材料被嵌入海藻酸凝胶中，它们在凝胶中通过交织的方式创造出多孔结构，导电路径能够实现电流通路。这些柔性电极能够弯曲超过180°而不会出来开裂，使其可以作为粘弹性海藻酸凝胶很好的搭配者。

   为了将两者联合在一起，团队采用自愈合硅胶树脂材料（PDMS）包覆电极，这样形成了两层海藻酸凝胶与电极的夹层结构。形成的这个器件具有高柔性，能够拉伸自身长度的10倍而不会出现断裂或者撕裂。当活体脑部细胞像星型胶质细胞和神经细胞会在这个器件上生长，且细胞显示没有破坏或者其他副作用，意味着器件能够安全在活体组织上使用。

更安全外科手术可选的电极阵列

   团队接着通过粘附其在小鼠心脏上测试了他们新的粘弹性电极阵列。在动作时器件仍然停留在组织上，在肌肉收缩数万次仍保持其接触。研究人员同比例放大，将他们的器件附在鼠脑上、鼠心脏以及牛心脏上，所有器件都没有损害及滑动松弛，即使在弯曲超过180°的时候也没有。相反商业电极阵列在弯曲超过90°时不会一直保持与牛的心脏接触。

      最终，粘弹性电极阵列被成功用于在活体中刺激神经和记录电活动。当器件粘附在活体小鼠的后腿部，研究人员成功地通过不同电极信号刺激了不同肌肉的收缩。他们在外科手术时粘附器件至小鼠心脏和大鼠脑部。心脏和脑部的电活动通过器件被成功记录，其可以粘附至很难接触的区域，在使用过程中也不会造成对动物造成伤害。

       器件的粘弹性意味着医疗器件的新方向，以前通常被设计为纯弹性。通过这种方法，可以与身体组织更紧密的接触，可以实现更多功能的交互界面而不破坏组织。

      团队仍在继续开发他们的器件，正在更大动物活体中验证，目标是在像脑部肿瘤移除、癫痫扫描等医疗过程中可以应用这类器件。他们同样希望这项新技术能够实现局部身体的电活动记录和刺激，目前商业器件还难以实现。

凝胶电极可以覆形适应身体很多不平整的表面和缝隙而不会破坏目标组织

       器件的粘弹性标志着医疗器件的新方向，它们可以与身体组织贴合的很紧密，允许更多的功能界面而不会破坏组织。