用圖片搜索”電子植入物”，你會發現各種各樣的設備，從傳統的心臟起搏器和人工耳蝸到更多未來的大腦和視網膜微芯片，旨在增強視力、治療抑鬱症和恢復行動能力。一些植入物是堅硬和笨重的，而另一些則是靈活和薄的。但無論其形式和功能如何，幾乎所有的植入物都包含電極–直接附著在目標組織上的小型導電元件，以電擊刺激肌肉和神經。

麻省理工學院的工程師們開發了一種不含金屬、類似果凍的材料，它像生物組織一樣柔軟和堅韌，並能與傳統金屬類似地導電。這種新材料是一種高性能導電聚合物水凝膠，有朝一日可能會取代醫療設備電極中的金屬。

植入式電極主要由剛性金屬製成，其本質是導電的。但隨著時間的推移，金屬會加重組織的負擔，造成疤痕和炎症，反過來又會降低植入物的性能。

現在，麻省理工學院的工程師們已經開發出一種不含金屬、類似果凍的材料，它和生物組織一樣柔軟堅韌，並且可以和傳統金屬一樣導電。這種材料可以被製成可打印的墨水，研究人員將其圖案化為靈活的橡膠狀電極。這種新材料是一種高性能導電聚合物水凝膠，有朝一日可能會取代金屬，成為功能性的凝膠型電極，具有生物組織的外觀和感覺。

“這種材料的操作與金屬電極相同，但由凝膠製成，與我們的身體相似，並具有類似的水含量，”醫療設備創業公司SanaHeal的聯合創始人Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21說。”它就像一個人造組織或神經。”

麻省理工學院機械工程和土木與環境工程教授趙煊赫補充說：”我們相信，我們第一次有了一種堅韌、牢固、類似果凍的電極，有可能取代金屬來刺激神經，並與心臟、大腦和身體的其他器官對接。”

趙、Yuk以及麻省理工學院和其他地方的其他人在《自然-材料》上報告了他們的結果。該研究的共同作者包括第一作者和麻省理工學院的前博士後周濤，他現在是賓夕法尼亞州立大學的助理教授，以及江西科技師範大學和上海交通大學的同事。

一個真正的挑戰

絕大多數聚合物在本質上是絕緣的，這意味著電力不容易通過它們。但是，存在著一小部分特殊的聚合物，它們實際上可以通過其主體傳遞電子。一些導電聚合物在20世紀70年代首次被證明具有高導電性–這項工作後來被授予諾貝爾化學獎。

最近，包括Zhao實驗室的研究人員已經嘗試使用導電聚合物來製造柔軟的無金屬電極，用於生物電子植入物和其他醫療設備。這些努力旨在製造柔軟而堅韌的導電薄膜和貼片，主要是通過將導電聚合物的顆粒與水凝膠（一種柔軟和海綿狀的富水聚合物）混合。

研究人員希望導電聚合物和水凝膠的結合將產生一種靈活的、生物相容的和導電的凝膠。但是到目前為止，製成的材料要么太弱太脆，要么表現出糟糕的電性能。

Yuk說：”在凝膠材料中，電氣和機械性能總是相互對抗。”如果你改善凝膠的電性能，你必須犧牲機械性能，反之亦然。但在現實中，我們兩者都需要： 一種材料應該是導電的，同時也是有彈性和堅固的。這是真正的挑戰，也是人們無法將導電聚合物製成完全由凝膠製成的可靠設備的原因。”

在他們的新研究中，Yuk和他的同事們發現他們需要一種新的配方，將導電聚合物與水凝膠混合，以增強各自成分的電氣和機械性能。

Yuk說：”人們以前依賴於這兩種材料的均勻、隨機混合。這種混合物產生了由隨機分散的聚合物顆粒組成的凝膠。該小組意識到，為了分別保持導電聚合物和水凝膠的電氣和機械強度，兩種成分應以它們略微排斥的方式混合，這種狀態被稱為相分離。在這種略微分離的狀態下，每種成分就可以將其各自的聚合物連接起來，形成長長的微觀鏈，同時也作為一個整體進行混合。”

“想像一下，我們正在製作電氣和機械意大利麵條，”趙提出。”電學意大利麵條是導電聚合物，它現在可以在材料上傳輸電力，因為它是連續的。而機械意大利麵條是水凝膠，它可以傳遞機械力，並具有韌性和伸展性，因為它也是連續的。”

研究人員隨後調整了配方，將意大利麵條的凝膠煮成墨水，他們將其送入3D打印機，並打印在純水凝膠的薄膜上，圖案類似於傳統的金屬電極。

第一作者Zhou說：”因為這種凝膠是可3D打印的，我們可以定制幾何和形狀，這使得它很容易為各種器官製造電接口。”

研究人員隨後將打印好的類似果凍的電極植入了大鼠的心臟、坐骨神經和脊髓。研究小組在動物身上測試了電極的電氣和機械性能長達兩個月，發現這些裝置在整個過程中保持穩定，周圍組織幾乎沒有炎症或疤痕。電極還能夠將來自心臟的電脈衝傳遞給外部顯示器，並向坐骨神經和脊髓提供小脈衝，這反過來又刺激了相關肌肉和肢體的運動活動。

展望未來，Yuk設想，這種新材料的直接應用可能是用於從心臟手術中恢復的人。

“這些病人需要幾週的電力支持，以避免心髒病發作，這是手術的一個副作用，”Yuk說。”因此，醫生在心臟表面縫合一個金屬電極，並在數週內刺激它。我們可能會用我們的凝膠取代那些金屬電極，以最大限度地減少並發症和副作用，目前人們只是接受。”

該團隊正在努力延長該材料的使用壽命和性能。然後，這種凝膠可以作為器官和長期植入物之間的軟電接口，包括心臟起搏器和深腦刺激器。

趙說：”我們小組的目標是用類似Jell-O的東西來取代體內的玻璃、陶瓷和金屬，這樣它就更加良性，但性能更好，而且可以持續很長時間。這是我們的希望。”