MIT研發出一款可打印的無金屬柔性電極

【2023年07月21日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)過往人們的印象當中,電路板和電極是由金屬和塑料等組成。這次,美國麻省理工學院(MIT)開發出一種不含金屬卻可以像傳統金屬一樣導電的凝膠電極,這種電極在未來有望取代醫療設備中的金屬電極。

絕大多數聚合物在本質上屬於絕緣體,這意味著電流不容易通過,但有少數特殊的聚合物可以讓電流通過,因此,越來越多的實驗室嘗試使用導電聚合物來製造無金屬電極,同時希望它是具有柔性、生物相容性和導電性的凝膠。

這次,MIT研究團隊克服了過往導電性的凝膠成品太脆弱等問題,開發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。他們將該成果寫成論文,在6月發表至《自然》雜誌。

這種具有導電特性的聚合物水凝膠(BC-CPH),可以透過3D打印出來,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在強力拉伸後的形變狀況。他們將BC-CPH拉伸超過原本大小的200%後,物體能夠完全恢復至原本的彈性和形狀。

論文解釋說,這是PEDOT:PSS讓BC-CPH內部保持平衡,使其擁有超過3,300 J/m2的斷裂韌性,而BC-CPH的高拉伸性主要是親水性聚氨酯起到作用。

實驗團隊測試BC-CPH的電氣和電化學性能,發現其擁有超過11S/cm1的超高導電率,即使將BC-CPH拉長100%,並重複超過5,000次拉伸動作,它的性質依然沒有甚麼改變。

另外,他們將BC-CPH進行超過10,000次的高電流充放電循環。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衝生理鹽水(PBS)、溫度37°C含酶的PBS環境中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環境,主要是模仿生物的身體內環境。

另外,他們可以透過控制墨水中溶劑的量改變BC-CPH墨水的黏度,而不同黏度的墨水製備得到的BC-CPH能夠保持穩定的電學和機械性能。

由於高黏度BC-CPH墨水的塑形性、流動和變形性較高,符合團隊3D打印需求,因此他們利用高黏度墨水打印出50微米的線條用於實驗測試。

初步測試成功後,他們將BC-CPH墨水打印成線路,再用絕緣水凝膠封裝,最終形成長約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驗大鼠的心臟、坐骨神經和脊髓進行電生理記錄。結果顯示,BC-CPH電路板貼片成功記錄大鼠的心臟、坐骨神經和脊髓的電生理圖,並向坐骨神經和脊髓傳遞小脈衝,以刺激相關肌肉和四肢的運動。

另外,MIT研究團隊還測試了這種BC-CPH電路板貼片對於老鼠細胞是否有害。他們將該貼片貼在老鼠內部組織,進行了長達2個月的試驗,發現裝置始終保持穩定,部份組織也只出現非常輕微的炎症,幾乎可以忽略不計。

以上實驗證明,其能夠長時間用於生物體內,而該團隊希望,這種新材料未來有一天可以取代金屬,用於生物電子植入物和其它醫療設備上。

MIT機械工程和土木與環境工程博士周濤(Tao Zhou)對MIT新聞室說:「我們相信這是第一個擁有堅韌和果凍狀特徵的電極,它未來很可能取代那些用來刺激神經、心臟、大腦和體內其它器官連接的金屬電極。」

另外,實驗室的玉賢宇(Hyunwoo Yuk)博士表示:「過往,醫生為了避免那些從心臟手術中恢復的患者因手術副作引起心臟病的發作,需要在患者心臟表面縫合金屬電極,持續刺激數周,但那仍有風險。這次,我們希望用新開發的凝膠取代這些金屬電極,以儘量減少人們出現併發症和副作用。」

周濤補充說:「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一段時間。」

未來該團隊會朝努力延長BC-CPH的使用壽命和性能發展,讓BC-CPH可以用於人類器官和長期植入人體(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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