柔性電子與腦神經的碰撞：新型柔性導電複合材料

據麥姆斯諮詢報道，瑞典林雪平大學首席研究員Klas Tybrandt，最新研發了一項技術可以實現長期穩定的神經記錄。該技術基於一種新型的彈性複合材料，這種材料具有生物相容性，並且即使當被拉伸到原始長度的兩倍時，仍能保持較高的導電特性。這項研究成果是由瑞典、蘇黎世和紐約三地的研究人員共同合作完成的。這一突破性發現對生物醫學工程中的許多應用至關重要，相關文章發表在著名的科學期刊《先進材料》上。

電子元件與神經細胞之間的耦合非常有意義，它不僅能夠收集腦細胞信號的信息，而且可以幫助診斷和治療神經紊亂和癲癇等疾病。

而要實現電子元件和神經細胞之間長期穩定地連接且不損害神經元或組織是非常具有挑戰性的，因為柔軟、彈性的人體組織和硬的、剛性的電子元件，這兩個系統具有完全不同的機械性質。

「由於人體組織具有彈性且會移動，與剛性電子元件接觸的表面會產生損傷和炎症。這不僅會導致組織損傷，還會抑制神經信號，」 Klas Tybrandt說。（Klas Tybrandt是林雪平大學北雪平校區有機電子學實驗室柔性電子組組長）

新材料中的柔性電極（圖片來源：Thor Balkhed）

新的導電材料

Klas Tybrandt研發了一種新的導電材料，如人體組織般柔軟，並可拉伸兩倍的長度。這種材料由鍍金的二氧化鈦納米線組成，嵌在硅橡膠中。這種材料具有生物相容性，這意味著它可以與人體接觸而不會產生不良影響，而且它的導電性隨時間推移一直保持穩定。

「這種柔性導電複合材料的微細加工涉及多個挑戰。我們已經開發出一種製造小電極，同時也能保持材料生物相容性的工藝。該過程使用的材料很少，這意味著我們可以使用黃金之類相對昂貴的材料，不用擔心成本過高的問題，」Klas Tybrandt說。

電極的大小為50μm，彼此之間的間距為200μm。其製造工序可在一個非常小的表面上放置32個電極。最終的探頭寬度為3.2mm，厚度為80μm，如上圖照片所示。

這款柔性微電極已在林雪平大學和蘇黎世聯邦理工學院研製成功，並由紐約大學和哥倫比亞大學的研究人員隨後將其植入大鼠腦內。研究人員能夠連續3個月從自由活動的老鼠那裡收集到高質量的神經信號。這些實驗都已經通過倫理審查，並嚴格遵循管理動物實驗的規定。

重要的未來應用

「當大腦中的神經元傳遞信號時就會產生一個電壓，電極通過微小的放大器能夠檢測和傳輸這個電壓。我們可以看到信號來自哪一個電極，這也意味著我們可以判斷信號起源於大腦的哪個位置。這種時空信息對於未來的應用非常重要。例如，我們希望能夠看到引起癲癇發作的信號在哪裡開始，這是治療癲癇發作的先決條件。另一個應用領域是腦機介面，利用神經信號可以控制未來技術或假體。還會有許多有趣的應用，包括人體外周神經系統和它調節各器官的方式，」Klas Tybrandt說。

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