電子植入物被歸類為一組可植入的醫(yī)療設(shè)備，用于治療或監(jiān)測(cè)各種健康狀況。它們包括心臟調(diào)節(jié)器和人工耳蝸等助聽器設(shè)備，還有其他先進(jìn)技術(shù)和可輔助的治療方法。

然而，目前的電子植入技術(shù)通常由金屬制成，可能存在笨重、堅(jiān)硬的問題，這可能導(dǎo)致不適感和引起他人的注意。此外，隨著時(shí)間的推移，金屬會(huì)加重組織，導(dǎo)致疤痕和炎癥，進(jìn)而降低植入物的性能。

因此，開發(fā)新材料和新工藝來(lái)制造對(duì)用戶更加舒適和安全的植入式設(shè)備已成為該領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型的果凍狀導(dǎo)電聚合物水凝膠，可用于替代植入式醫(yī)療設(shè)備中的金屬材料。

“我們相信，我們首次擁有了一種堅(jiān)韌、堅(jiān)固且類似果凍的電極，它有可能取代金屬，用于刺激神經(jīng)并與心臟、大腦和身體的其他器官進(jìn)行連接?！甭槭±砉W(xué)院機(jī)械工程與土木與環(huán)境工程趙選賀教授表示。

高性能果凍電導(dǎo)率

金屬一直是植入式設(shè)備的傳統(tǒng)首選材料，因?yàn)樗鼈兙哂袑?dǎo)電性，并且需要傳輸電信號(hào)以支持重要器官（例如心臟）或提供有關(guān)患者健康狀況的準(zhǔn)確信息。

然而，最新研發(fā)的果凍狀聚合物水凝膠具備高性能導(dǎo)電特性，并已證明在堅(jiān)固和柔軟方面與生物組織相媲美。此外，在他們發(fā)表在《自然材料》雜志上的研究中，該團(tuán)隊(duì)聲稱這種材料可以制成可印刷油墨，用于3D打印技術(shù)，同時(shí)保持其關(guān)鍵特性。

“這種材料像金屬電極一樣工作，但它是由與我們的身體相似的凝膠制成的，并且具有相似的含水量……它就像人造組織或神經(jīng)?！贬t(yī)療設(shè)備初創(chuàng)公司SanaHeal的創(chuàng)始人Hyunwoo Yuk博士表示。

推進(jìn)導(dǎo)電聚合物

在1970年代，一系列導(dǎo)電聚合物進(jìn)行了測(cè)試，并最終因其材料具有高導(dǎo)電性而使得Alan Heeger、Alan MacDiarmid和Hideki Shirakawa獲得了2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在麻省理工學(xué)院，研究人員開始建立這些基礎(chǔ)，并通過(guò)研究導(dǎo)電聚合物材料在植入式醫(yī)療設(shè)備中的適用性來(lái)推動(dòng)其發(fā)展。

最初，作為制造靈活耐用的導(dǎo)電聚合物水凝膠的一部分，該團(tuán)隊(duì)遇到了一些障礙。例如，他們的聚合物和水凝膠材料的組合既具有生物相容性，但只能傳輸微弱信號(hào)的特點(diǎn)。

“在凝膠材料中，電性能和機(jī)械性能總是相互對(duì)抗……如果提高凝膠的電性能，就必須犧牲機(jī)械性能，反之亦然。但實(shí)際上，我們兩者都需要。”Hyunwoo Yuk博士補(bǔ)充說(shuō)。

然而，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以通過(guò)創(chuàng)建新的聚合物/水凝膠配方來(lái)改善所需的電氣和機(jī)械性能。該團(tuán)隊(duì)確保在稱為相分離的狀態(tài)下混合成分，這意味著這兩種材料相互排斥。

導(dǎo)電細(xì)面條狀絞線

當(dāng)處于相分離狀態(tài)時(shí)，各個(gè)成分能夠連接它們各自的聚合物以產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的、微細(xì)的意大利面條狀的股線，作為一個(gè)完整的材料聚集在一起。

“電意大利面條是導(dǎo)電聚合物，由于它是連續(xù)的，所以現(xiàn)在可以在材料上傳輸電力。而機(jī)械面條就是水凝膠，它可以傳遞機(jī)械力，而且堅(jiān)韌有彈性，因?yàn)樗彩沁B續(xù)的?！壁w選賀教授補(bǔ)充說(shuō)。

這使得材料具有類似果凍的狀態(tài)，這意味著現(xiàn)在可以對(duì)其進(jìn)行修改以用于3D打印機(jī)，從而使團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)楦鞣N電子植入物設(shè)計(jì)和打印復(fù)雜的幾何形狀。

研究人員在大鼠的心臟和感覺系統(tǒng)上進(jìn)行打印測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備在將電脈沖傳遞到心臟并刺激感覺系統(tǒng)的脊髓和神經(jīng)中的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的兩個(gè)多月內(nèi)保持穩(wěn)定的功能。

接下來(lái)的步驟包括改進(jìn)功能，以便植入式設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求持續(xù)使用很長(zhǎng)時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)希望用生物相容性更強(qiáng)、對(duì)患者使用更安全的材料取代金屬、玻璃和陶瓷等傳統(tǒng)材料。

電子植入物被歸類為一組可植入的醫(yī)療設(shè)備，用于治療或監(jiān)測(cè)各種健康狀況。它們包括心臟調(diào)節(jié)器和人工耳蝸等助聽器設(shè)備，還有其他先進(jìn)技術(shù)和可輔助的治療方法。

然而，目前的電子植入技術(shù)通常由金屬制成，可能存在笨重、堅(jiān)硬的問題，這可能導(dǎo)致不適感和引起他人的注意。此外，隨著時(shí)間的推移，金屬會(huì)加重組織，導(dǎo)致疤痕和炎癥，進(jìn)而降低植入物的性能。

因此，開發(fā)新材料和新工藝來(lái)制造對(duì)用戶更加舒適和安全的植入式設(shè)備已成為該領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型的果凍狀導(dǎo)電聚合物水凝膠，可用于替代植入式醫(yī)療設(shè)備中的金屬材料。

“我們相信，我們首次擁有了一種堅(jiān)韌、堅(jiān)固且類似果凍的電極，它有可能取代金屬，用于刺激神經(jīng)并與心臟、大腦和身體的其他器官進(jìn)行連接?！甭槭±砉W(xué)院機(jī)械工程與土木與環(huán)境工程趙選賀教授表示。

高性能果凍電導(dǎo)率

金屬一直是植入式設(shè)備的傳統(tǒng)首選材料，因?yàn)樗鼈兙哂袑?dǎo)電性，并且需要傳輸電信號(hào)以支持重要器官（例如心臟）或提供有關(guān)患者健康狀況的準(zhǔn)確信息。

然而，最新研發(fā)的果凍狀聚合物水凝膠具備高性能導(dǎo)電特性，并已證明在堅(jiān)固和柔軟方面與生物組織相媲美。此外，在他們發(fā)表在《自然材料》雜志上的研究中，該團(tuán)隊(duì)聲稱這種材料可以制成可印刷油墨，用于3D打印技術(shù)，同時(shí)保持其關(guān)鍵特性。

“這種材料像金屬電極一樣工作，但它是由與我們的身體相似的凝膠制成的，并且具有相似的含水量……它就像人造組織或神經(jīng)?！贬t(yī)療設(shè)備初創(chuàng)公司SanaHeal的創(chuàng)始人Hyunwoo Yuk博士表示。

推進(jìn)導(dǎo)電聚合物

在1970年代，一系列導(dǎo)電聚合物進(jìn)行了測(cè)試，并最終因其材料具有高導(dǎo)電性而使得Alan Heeger、Alan MacDiarmid和Hideki Shirakawa獲得了2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在麻省理工學(xué)院，研究人員開始建立這些基礎(chǔ)，并通過(guò)研究導(dǎo)電聚合物材料在植入式醫(yī)療設(shè)備中的適用性來(lái)推動(dòng)其發(fā)展。

最初，作為制造靈活耐用的導(dǎo)電聚合物水凝膠的一部分，該團(tuán)隊(duì)遇到了一些障礙。例如，他們的聚合物和水凝膠材料的組合既具有生物相容性，但只能傳輸微弱信號(hào)的特點(diǎn)。

“在凝膠材料中，電性能和機(jī)械性能總是相互對(duì)抗……如果提高凝膠的電性能，就必須犧牲機(jī)械性能，反之亦然。但實(shí)際上，我們兩者都需要。”Hyunwoo Yuk博士補(bǔ)充說(shuō)。

然而，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以通過(guò)創(chuàng)建新的聚合物/水凝膠配方來(lái)改善所需的電氣和機(jī)械性能。該團(tuán)隊(duì)確保在稱為相分離的狀態(tài)下混合成分，這意味著這兩種材料相互排斥。

導(dǎo)電細(xì)面條狀絞線

當(dāng)處于相分離狀態(tài)時(shí)，各個(gè)成分能夠連接它們各自的聚合物以產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的、微細(xì)的意大利面條狀的股線，作為一個(gè)完整的材料聚集在一起。

“電意大利面條是導(dǎo)電聚合物，由于它是連續(xù)的，所以現(xiàn)在可以在材料上傳輸電力。而機(jī)械面條就是水凝膠，它可以傳遞機(jī)械力，而且堅(jiān)韌有彈性，因?yàn)樗彩沁B續(xù)的?！壁w選賀教授補(bǔ)充說(shuō)。

這使得材料具有類似果凍的狀態(tài)，這意味著現(xiàn)在可以對(duì)其進(jìn)行修改以用于3D打印機(jī)，從而使團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)楦鞣N電子植入物設(shè)計(jì)和打印復(fù)雜的幾何形狀。

研究人員在大鼠的心臟和感覺系統(tǒng)上進(jìn)行打印測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備在將電脈沖傳遞到心臟并刺激感覺系統(tǒng)的脊髓和神經(jīng)中的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的兩個(gè)多月內(nèi)保持穩(wěn)定的功能。

接下來(lái)的步驟包括改進(jìn)功能，以便植入式設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求持續(xù)使用很長(zhǎng)時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)希望用生物相容性更強(qiáng)、對(duì)患者使用更安全的材料取代金屬、玻璃和陶瓷等傳統(tǒng)材料。