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可监测大脑活动的3D生物柔性网状电子产品

柔性电子产品(Flexible electronics)拥有广阔的应用空间,如开发可弯曲屏幕或个人健康监测仪等。科学家们对将这种材料应用于医学领域尤其感兴趣,并已开发出与人体相兼容的3D柔性电子材料,这为将其整合到各种人体组织中带来了希望。

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但是将这些生物电子产品有效地用于临床之前,还要解决其存在的一些明显弊端。例如,很难以“对患者友好”的方式将柔性生物电子产品送抵疾病区域。但近期,一个国际科研团队展示了一种网状柔性电子产品,其体积能收缩至极小,通过针头注射到体内疾病区域。


这种网状柔性电子产品制成后,可被装入针头中,然后注射到体内疾病区域。这种网状柔性电子产品由纵向聚合物/金属/聚合物元素构成,科学家们将这些高分子材料包裹的极细的金属线编织成网状,并在这些金属线的交点处连接上纳米级的电极或晶体管。


这种金属网络具有极其优异的柔韧性,让研究人员可以将它压缩到直径只有100微米的针头内,通过注射器将其注入到生物组织内。注入后被压缩的金属网络可以重新舒展开,并与生物组织很好地融为一体。


试验中,研究人员通过内部直径仅为95微米的玻璃针头将2毫米宽的网状电子产品注入生物体内。网状电子产品从针头中释放后,能够持续自动展开。科学家们还用内部直径为600微米的针头进行了测试,并取得了同样的效果。


那么注入后,这种网状电子产品是否还能正常工作呢?研究人员利用内部直径为100~600微米的针头对这种网状电子产品进行了注入,然后再评估其电子性能。结果,94%的设备完好无损。而且,阻抗的变化只有7%,是一个十分理想的数字。阻抗是对电路中的电流所起的阻碍作用,对于特定应用而言是个重要的指标。


研究人员还对不同的网状结构进行了测试,发现网状电子产品每个交汇点的角度为45度时最容易被注入,即使该网状电子产品的宽度远大于针头的内部直径。例如,网状电子产品的宽度为1.5厘米,可以轻松地利用内部直径仅为其1/33的针头注入。


科学家们通过人造结构和存活动物对这种网状电子产品进行了测试。整合应力传感器的网状电子产品被注入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)流动腔中,以监测传感器对PDMS结构变形的反应。结果表明,这些传感器能够以当前无法实现的方式来监测和映射内部应力变化。科研人员表示,该技术还可用于衡量其他类型的化学变化,如pH值变化。


此外,研究人员还将这种网状电子产品注入到模仿真实人体组织的凝胶中。实验结果表明,在保持人体温度下,这种网状电子产品能够舒展80%。舒展程度主要取决于凝胶的浓度和网状电子产品的机械属性。


最后,研究人员将这种网状电子产品注入到小鼠大脑中两个不同的区域,被注入后5周内并未产生排异反应,并能和健康的神经元连接。当被注入到小鼠的海马体时,研究人员发现,这种网状电子产品能监测大脑活动,并且对周围大脑组织的损伤极为有限。


科学家们表示,这种网状电子产品的生物兼容性主要得益于其两个特征:极低的刚度系数与组织十分类似,微米级别的体积与细胞大小相当。之前的研究结果已经证明,这两个特性对人体的伤害甚微。与之前的柔性电子产品相比,这种新型的网状电子产品更具技术优势,可能成为新型生物医学监测设备的基础。


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