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柔性电子与脑神经的碰撞:新型柔性导电复合材料

导读: 瑞典林雪平大学首席研究员Klas Tybrandt,最新研发了一项技术可以实现长期稳定的神经记录。该技术基于一种新型的弹性复合材料,这种材料具有生物相容性,并且即使当被拉伸到原始长度的两倍时,仍能保持较高的导电特性。

据麦姆斯咨询报道,瑞典林雪平大学首席研究员Klas Tybrandt,最新研发了一项技术可以实现长期稳定的神经记录。该技术基于一种新型的弹性复合材料,这种材料具有生物相容性,并且即使当被拉伸到原始长度的两倍时,仍能保持较高的导电特性。这项研究成果是由瑞典、苏黎世和纽约三地的研究人员共同合作完成的。这一突破性发现对生物医学工程中的许多应用至关重要,相关文章发表在著名的科学期刊《先进材料》上。

电子元件与神经细胞之间的耦合非常有意义,它不仅能够收集脑细胞信号的信息,而且可以帮助诊断和治疗神经紊乱和癫痫等疾病。

而要实现电子元件和神经细胞之间长期稳定地连接且不损害神经元或组织是非常具有挑战性的,因为柔软、弹性的人体组织和硬的、刚性的电子元件,这两个系统具有完全不同的机械性质。

“由于人体组织具有弹性且会移动,与刚性电子元件接触的表面会产生损伤和炎症。这不仅会导致组织损伤,还会抑制神经信号,” Klas Tybrandt说。(Klas Tybrandt是林雪平大学北雪平校区有机电子学实验室柔性电子组组长)

柔性电子与脑神经的碰撞:新型柔性导电复合材料

新材料中的柔性电极(图片来源:Thor Balkhed)

新的导电材料

Klas Tybrandt研发了一种新的导电材料,如人体组织般柔软,并可拉伸两倍的长度。这种材料由镀金的二氧化钛纳米线组成,嵌在硅橡胶中。这种材料具有生物相容性,这意味着它可以与人体接触而不会产生不良影响,而且它的导电性随时间推移一直保持稳定。

“这种柔性导电复合材料的微细加工涉及多个挑战。我们已经开发出一种制造小电极,同时也能保持材料生物相容性的工艺。该过程使用的材料很少,这意味着我们可以使用黄金之类相对昂贵的材料,不用担心成本过高的问题,”Klas Tybrandt说。

电极的大小为50μm,彼此之间的间距为200μm。其制造工序可在一个非常小的表面上放置32个电极。最终的探头宽度为3.2mm,厚度为80μm,如上图照片所示。

这款柔性微电极已在林雪平大学和苏黎世联邦理工学院研制成功,并由纽约大学和哥伦比亚大学的研究人员随后将其植入大鼠脑内。研究人员能够连续3个月从自由活动的老鼠那里收集到高质量的神经信号。这些实验都已经通过伦理审查,并严格遵循管理动物实验的规定。

重要的未来应用

“当大脑中的神经元传递信号时就会产生一个电压,电极通过微小的放大器能够检测和传输这个电压。我们可以看到信号来自哪一个电极,这也意味着我们可以判断信号起源于大脑的哪个位置。这种时空信息对于未来的应用非常重要。例如,我们希望能够看到引起癫痫发作的信号在哪里开始,这是治疗癫痫发作的先决条件。另一个应用领域是脑机接口,利用神经信号可以控制未来技术或假体。还会有许多有趣的应用,包括人体外周神经系统和它调节各器官的方式,”Klas Tybrandt说。

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