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    【光明日報】液態金屬“變身”神經電極:向解密生命進發

    稿件來源: 發布時間:2022-10-09

      科學家們已經證明,神經傳導實際上是一種電化學的過程——神經纖維上順序發生的電化學變化,讓人類的“想法”變成了動作,讓大腦能夠指揮身體。那么,人類能不能模擬這種神經傳導方式呢?這種嘗試一旦成功,不僅能夠讓人們更了解生命的奧秘,更能治愈多種臨床疾病。人們一直在努力尋找最合適的材料去制造最貼近生命方式的“放電”“傳導”和“探測”器件——神經電極。液態金屬是一種新型材料,它的出現和不斷進展,給神經電極的制備和研究帶來新選擇。

       

      植入液態金屬外周神經電極的大鼠在行走運動狀態下采集神經信號。中國科學院理化技術研究所、北京理工大學提供

      1.神經電極材料的發展,往往能夠帶動神經科學的進步

      神經電極是一種探測神經信號的傳感器件,不要小看這不起眼的電極,它的每一點改進都帶來了神經科學領域的巨大進步。

      神經電極的歷史可以追溯到1786年,意大利科學家伽爾伐尼在實驗室解剖青蛙時,銅和鋅做成的金屬弓偶然碰到了蛙腿神經,在原電池作用下產生的電流竟然使蛙腿痙攣起來。如今看來,這把金屬弓恐怕就是人類最早的神經電極雛形了。

      在接下來的百余年間,科學家手工制作出各種神經電極,這些早期的神經電極多采用一根細細的金屬絲外部包裹著不導電的涂層,只在尖端露出一點金屬來探測神經信號。正是依靠這些略顯簡單的神經電極,科學家們揭開了神經科學面紗的一角,弄明白了神經細胞內外有電勢差,能產生動作電位來傳輸信息,這是神經系統能夠思考和感覺的基礎。

      但是當科學家們把目光轉移到單個神經細胞時卻遇到了難以克服的困難——金屬細絲電極的背景噪音過大,無法探測到微弱的單個細胞信號。

      一直到第二次世界大戰之后,一種意想不到的新材料——玻璃被應用到神經電極,才極大減小了神經探測中的背景噪音。玻璃管電極發明的關鍵人物是一位年輕的中國留學生——凌寧。他和導師杰勒德一起開創性地把玻璃拉制成尖端僅有0.5微米的毛細玻璃管,管內充入鹽溶液導電,玻璃管后端有金屬絲浸入在鹽溶液中并與外電路相連,成功地探測到了清晰的單個細胞動作電位信號。玻璃管電極的發明直接催生了現代神經電生理學,細胞膜電位和膜片鉗電極等幾項獲得諾貝爾獎的神經電生理學成果都建立在它的基礎上。在玻璃管電極的幫助下,人類窺見了神經細胞內部的秘密,探測到了單個蛋白質構成的離子通道的打開和關閉,理解了神經細胞之間突觸連接的細微工作機制。

      隨著神經研究的深入,科學家對神經細胞的群體行為越來越感興趣,畢竟人的大腦是由數量龐大的神經細胞構成的,這就需要有通道數量足夠多的神經電極來同時探測成千上萬個神經細胞。20世紀60年代出現了基于半導體材料的集成電路技術,使得在很小的面積里能夠容納很多通道的神經電極,這就是集成式的神經電極陣列。

      現在被廣泛應用的各種多通道神經電極陣列基本上都是集成式神經電極,例如基于硅材料的密歇根電極、猶他電極和神經像素電極(Neuropixels)等。它們被植入大腦和神經系統,使科學家能夠同時獲取成百上千個神經細胞的信號,幫助人類破解大腦思維的秘密;也能將編碼的電信號發送給神經網絡,治療神經損傷和疾病,甚至替代增強神經功能。

      2.液態金屬讓解決神經電極的生物相容性和工作持久性問題看到曙光

      回顧近兩百年來神經電極的發展歷程,從金屬弓、金屬絲、玻璃到半導體材料,材料的更新換代推動著神經電極的進步?,F代的神經科學對神經電極提出了更高的要求,不僅需要在背景噪音和通道數量等方面繼續提升,也更注重生物相容性和在體工作持久性等方面的性能。

      一直以來,讓神經科學家們感到苦惱的是,無論神經科學研究還是神經疾病的治療都需要神經電極盡可能長期地待在生物體內,但這對神經電極來說是一件非常困難的事情?;诓A?、硅和固體金屬材料的神經電極大都非常堅硬,和生物體神經組織的柔軟和彈性難以匹配。一方面,堅硬的神經電極很容易碰傷神經細胞;另一方面,生物體的排異反應會生長出疤痕組織包裹電極,阻礙電極與神經細胞的連接。

      近年來,科學家嘗試使用各種柔性的材料來制作電極,以便減小神經電極的組織傷害,延長神經電極的工作壽命。

      對于外周神經電極來說,對材料的柔性和彈性的要求就更高了——外周神經電極能夠與生物外周神經束形成連接,獲取神經信號或對神經進行刺激,廣泛應用于神經科學研究、神經疾病治療、神經假體和神經接口等領域。外周神經每天都會隨著身體的日常運動而產生大量的伸縮扭曲變形,理想的外周神經電極也應該具有像人體神經一樣優異的柔性和彈性,才能跟隨身體運動而始終穩定無損地工作。但是現有的外周神經電極還無法達到這么高的柔性和彈性要求。采用鉑、銥、鈦、鎢等固態金屬材料制備的外周神經電極很難進行大幅度的伸縮變形,這阻礙了外周神經電極的長期科學研究和臨床醫療應用。

      為了解決這些問題,科學家們把目光投向了液態金屬。

      液態金屬,顧名思義,指的是在室溫附近呈液態的金屬,也稱低熔點金屬,如鎵基、鉍基金屬及其合金。此類材料因安全無毒,性能卓越獨特,正成為異軍突起的革命性材料。其他如汞、銫、鈉鉀合金等雖在常溫下也處于液態,但因毒性、放射性及危險性等因素,在應用上受到很大限制。

      鎵的熔點很低且沸點很高(達2204℃),在空氣中比較穩定,蒸汽壓也很低?;阪壍慕饘俸辖鸩牧?,如鎵銦合金、鎵銦錫合金等,熔點比單一成分的金屬單質更低,因而可配得室溫下呈液態的金屬合金。最常使用的是EGaIn(鎵銦合金)和Galinstan(鎵銦錫合金),EGaIn的配比為鎵75.5%、銦24.5%(重量比),熔點為15.5℃;Galinstan則由68.5%的鎵、21.5%銦和10.0%的錫構成,熔點為10.5℃。

      鎵早在100多年前就被發現,以往主要以化合物方式得到應用,如氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵等,均是經典的半導體材料。鎵基液態金屬材料真正的普及化研究和應用大概是近20年的事,得益于國內外學者特別是中國科學家團隊在基礎探索與工業化實踐方面的大量開創性努力和推動,液態金屬的基礎與應用研究已從最初的冷門,發展成當前備受國際廣泛矚目的重大科技前沿和熱點,在能源、電子、先進制造、生命健康以及柔性智能機器等領域產生了廣泛的影響。

      例如,將液態金屬作為流體散熱介質,其換熱系數遠高于現有液冷技術;通過液態金屬印刷電子技術可以實現柔性電路的制備;液態金屬3D打印技術可以實現各種電子電路功能器件的快速成型;基于液態金屬材料的柔性傳感器和可穿戴設備已經實現了人體脈搏波動、呼吸狀態等信息的實時監測;液態金屬可以容易地實現固態和液態的轉變,基于此理念設計的液態金屬外骨骼夾具已經得到了臨床應用。

      3.在液態金屬神經電極的研究中,中國科學家已經走到國際前沿

      近日,中國科學院理化技術研究所和北京理工大學的科研人員將液態金屬材料引入外周神經電極制造領域,使外周神經電極的柔性和生物相容性取得了突破性的提高,初步顯示了液態金屬外周神經電極在探測、增強甚至替代生物外周神經功能領域的巨大潛力。

      液態金屬材料兼具流體的流動性和金屬的導電性,與其他柔性的絕緣材料如硅橡膠結合,可以用來制作柔性、可拉伸的外周神經電極。中國科學家們用鎵銦錫合金和人體硅膠材料制備的液態金屬外周神經電極具有良好的可拉伸性和可扭轉性,其彈性模量僅為鉑的十萬分到百萬分之一、與硅橡膠及一些典型的柔性生物組織如骨骼肌和皮膚相近,這將有助于減少電極植入后對生物組織造成的機械損傷。液態金屬外周神經電極還具備良好的導電性,其電導率遠遠高于導電水凝膠、離子液體和導電聚合物PEDOT:PSS,并與鉑處于同一數量級。由于液態金屬具有室溫液態的特性,在拉伸后也能保持出色的導電性,這是鉑等剛性電極所不具備的優勢,由此制成的液態金屬外周神經電極能夠適應生物體的反復拉伸或扭曲等姿態變化,同時仍能保持高信噪比神經信號的穩定有效雙向傳輸。

      液態金屬神經電極在動物實驗中取得了良好的效果。實驗中,科學家們將液態金屬外周神經電極植入到大鼠體內,在體植入的電極不僅經受了大鼠自由運動狀態下的反復拉伸,還始終保持了運動和感覺神經信息在電極內雙向傳輸的能力。液態金屬電極不僅能夠同步采集大鼠在跑臺上模擬人類行走過程中的坐骨神經信號,還成功地把模擬神經脈沖電信號傳輸給自由狀態下的大鼠坐骨神經,在大鼠的軀體感覺腦區誘發出刺激事件相關腦電位,液態金屬電極從坐骨神經本身也記錄到刺激誘發的大量神經場電位和動作電位。以上在生物體內外的實驗表明,液態金屬外周神經電極不僅具備媲美外周神經的柔性和拉伸性能,而且實現了運動和感覺神經信號的長期雙向傳輸,顯示了其成為人工外周神經并替代生物外周神經功能的潛力。

      應該說,液態金屬外周神經電極具有廣泛的應用前景,可以作為外周神經的接口器件,在神經科學、神經疾病和腦機接口等領域發揮著重要作用。未來,液態金屬外周神經電極可以作為神經疾病監測設備的傳感器、疾病干預設備的刺激器、腦機接口設備的信息傳遞媒介,甚至作為人工外周神經假體對損傷的外周神經組織進行修復、替代或增強。具有良好生物相容性和柔性的外周神經電極能夠減少組織損傷和延長電極長期工作壽命,使外周神經電極跨入未來廣闊的應用發展空間,推動神經疾病治療(如神經麻痹、癲癇、帕金森氏綜合征及脊髓損傷)、神經假體(如人工神經束、人工脊髓)、神經接口(如癱瘓病人神經操控設備、與神經系統連接的假肢)等多領域的技術進步。

      《光明日報》( 2022年09月29日 16版)

      來源:光明網-《光明日報》

     作者:李雷、湯戎昱(分別系中國科學院理化技術研究所副研究員,北京理工大學副研究員)

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