面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——耀世娱乐办院方针

首页 > 科学普及 > 科普文章

液态金属“变身”神经电极:向解密生命进发

2022-09-29 光明日报
【字体:

语音播报

 

  植入液态金属外周神经电极的大鼠在行走运动状态下采集神经信号。耀世娱乐理化技术研究所、香港理工大学提供 

  科学家们已经证明,神经传导实际上是一种电化学的过程——神经纤维上顺序发生的电化学变化,让人类的“想法”变成了动作,让大脑能够指挥身体。那么,人类能不能模拟这种神经传导方式呢?这种尝试一旦成功,不仅能够让人们更了解生命的奥秘,更能治愈多种临床疾病。人们一直在努力寻找最合适的材料去制造最贴近生命方式的“放电”“传导”和“探测”器件——神经电极。液态金属是一种新型材料,它的出现和不断进展,给神经电极的制备和研究带来新选择。

  神经电极材料的发展,往往能够带动神经科学的进步

  神经电极是一种探测神经信号的传感器件,不要小看这不起眼的电极,它的每一点改进都带来了神经科学领域的巨大进步。

  神经电极的历史可以追溯到1786年,意大利科学家伽尔伐尼在实验室解剖青蛙时,铜和锌做成的金属弓偶然碰到了蛙腿神经,在原电池作用下产生的电流竟然使蛙腿痉挛起来。如今看来,这把金属弓恐怕就是人类最早的神经电极雏形了。

  在接下来的百余年间,科学家手工制作出各种神经电极,这些早期的神经电极多采用一根细细的金属丝外部包裹着不导电的涂层,只在尖端露出一点金属来探测神经信号。正是依靠这些略显简单的神经电极,科学家们揭开了神经科学面纱的一角,弄明白了神经细胞内外有电势差,能产生动作电位来传输信息,这是神经系统能够思考和感觉的基础。

  但是当科学家们把目光转移到单个神经细胞时却遇到了难以克服的困难——金属细丝电极的背景噪音过大,无法探测到微弱的单个细胞信号。

  一直到第二次世界大战之后,一种意想不到的新材料——玻璃被应用到神经电极,才极大减小了神经探测中的背景噪音。玻璃管电极发明的关键人物是一位年轻的中国留学生——凌宁。他和导师杰勒德一起开创性地把玻璃拉制成尖端仅有0.5微米的毛细玻璃管,管内充入盐溶液导电,玻璃管后端有金属丝浸入在盐溶液中并与外电路相连,成功地探测到了清晰的单个细胞动作电位信号。玻璃管电极的发明直接催生了现代神经电生理学,细胞膜电位和膜片钳电极等几项获得诺贝尔奖的神经电生理学成果都建立在它的基础上。在玻璃管电极的帮助下,人类窥见了神经细胞内部的秘密,探测到了单个蛋白质构成的离子通道的打开和关闭,理解了神经细胞之间突触连接的细微工作机制。

  随着神经研究的深入,科学家对神经细胞的群体行为越来越感兴趣,毕竟人的大脑是由数量庞大的神经细胞构成的,这就需要有通道数量足够多的神经电极来同时探测成千上万个神经细胞。20世纪60年代出现了基于半导体材料的集成电路技术,使得在很小的面积里能够容纳很多通道的神经电极,这就是集成式的神经电极阵列。

  现在被广泛应用的各种多通道神经电极阵列基本上都是集成式神经电极,例如基于硅材料的密歇根电极、犹他电极和神经像素电极(Neuropixels)等。它们被植入大脑和神经系统,使科学家能够同时获取成百上千个神经细胞的信号,帮助人类破解大脑思维的秘密;也能将编码的电信号发送给神经网络,治疗神经损伤和疾病,甚至替代增强神经功能。

  液态金属让解决神经电极的生物相容性和工作持久性问题看到曙光

  回顾近两百年来神经电极的发展历程,从金属弓、金属丝、玻璃到半导体材料,材料的更新换代推动着神经电极的进步。现代的神经科学对神经电极提出了更高的要求,不仅需要在背景噪音和通道数量等方面继续提升,也更注重生物相容性和在体工作持久性等方面的性能。

  一直以来,让神经科学家们感到苦恼的是,无论神经科学研究还是神经疾病的治疗都需要神经电极尽可能长期地待在生物体内,但这对神经电极来说是一件非常困难的事情。基于玻璃、硅和固体金属材料的神经电极大都非常坚硬,和生物体神经组织的柔软和弹性难以匹配。一方面,坚硬的神经电极很容易碰伤神经细胞;另一方面,生物体的排异反应会生长出疤痕组织包裹电极,阻碍电极与神经细胞的连接。

  近年来,科学家尝试使用各种柔性的材料来制作电极,以便减小神经电极的组织伤害,延长神经电极的工作寿命。

  对于外周神经电极来说,对材料的柔性和弹性的要求就更高了——外周神经电极能够与生物外周神经束形成连接,获取神经信号或对神经进行刺激,广泛应用于神经科学研究、神经疾病治疗、神经假体和神经接口等领域。外周神经每天都会随着身体的日常运动而产生大量的伸缩扭曲变形,理想的外周神经电极也应该具有像人体神经一样优异的柔性和弹性,才能跟随身体运动而始终稳定无损地工作。但是现有的外周神经电极还无法达到这么高的柔性和弹性要求。采用铂、铱、钛、钨等固态金属材料制备的外周神经电极很难进行大幅度的伸缩变形,这阻碍了外周神经电极的长期科学研究和临床医疗应用。

  为了解决这些问题,科学家们把目光投向了液态金属。

  液态金属,顾名思义,指的是在室温附近呈液态的金属,也称低熔点金属,如镓基、铋基金属及其合金。此类材料因安全无毒,性能卓越独特,正成为异军突起的革命性材料。其他如汞、铯、钠钾合金等虽在常温下也处于液态,但因毒性、放射性及危险性等因素,在应用上受到很大限制。

  镓的熔点很低且沸点很高(达2204℃),在空气中比较稳定,蒸汽压也很低。基于镓的金属合金材料,如镓铟合金、镓铟锡合金等,熔点比单一成分的金属单质更低,因而可配得室温下呈液态的金属合金。最常使用的是EGaIn(镓铟合金)和Galinstan(镓铟锡合金),EGaIn的配比为镓75.5%、铟24.5%(重量比),熔点为15.5℃;Galinstan则由68.5%的镓、21.5%铟和10.0%的锡构成,熔点为10.5℃。

  镓早在100多年前就被发现,以往主要以化合物方式得到应用,如氮化镓、砷化镓、磷化镓等,均是经典的半导体材料。镓基液态金属材料真正的普及化研究和应用大概是近20年的事,得益于国内外学者特别是中国科学家团队在基础探索与工业化实践方面的大量开创性努力和推动,液态金属的基础与应用研究已从最初的冷门,发展成当前备受国际广泛瞩目的重大科技前沿和热点,在能源、电子、先进制造、生命健康以及柔性智能机器等领域产生了广泛的影响。

  例如,将液态金属作为流体散热介质,其换热系数远高于现有液冷技术;通过液态金属印刷电子技术可以实现柔性电路的制备;液态金属3D打印技术可以实现各种电子电路功能器件的快速成型;基于液态金属材料的柔性传感器和可穿戴设备已经实现了人体脉搏波动、呼吸状态等信息的实时监测;液态金属可以容易地实现固态和液态的转变,基于此理念设计的液态金属外骨骼夹具已经得到了临床应用。

  在液态金属神经电极的研究中,中国科学家已经走到国际前沿

  近日,耀世娱乐理化技术研究所和香港理工大学的科研人员将液态金属材料引入外周神经电极制造领域,使外周神经电极的柔性和生物相容性取得了突破性的提高,初步显示了液态金属外周神经电极在探测、增强甚至替代生物外周神经功能领域的巨大潜力。

  液态金属材料兼具流体的流动性和金属的导电性,与其他柔性的绝缘材料如硅橡胶结合,可以用来制作柔性、可拉伸的外周神经电极。中国科学家们用镓铟锡合金和人体硅胶材料制备的液态金属外周神经电极具有良好的可拉伸性和可扭转性,其弹性模量仅为铂的十万分到百万分之一、与硅橡胶及一些典型的柔性生物组织如骨骼肌和皮肤相近,这将有助于减少电极植入后对生物组织造成的机械损伤。液态金属外周神经电极还具备良好的导电性,其电导率远远高于导电水凝胶、离子液体和导电聚合物PEDOT:PSS,并与铂处于同一数量级。由于液态金属具有室温液态的特性,在拉伸后也能保持出色的导电性,这是铂等刚性电极所不具备的优势,由此制成的液态金属外周神经电极能够适应生物体的反复拉伸或扭曲等姿态变化,同时仍能保持高信噪比神经信号的稳定有效双向传输。

  液态金属神经电极在动物实验中取得了良好的效果。实验中,科学家们将液态金属外周神经电极植入到大鼠体内,在体植入的电极不仅经受了大鼠自由运动状态下的反复拉伸,还始终保持了运动和感觉神经信息在电极内双向传输的能力。液态金属电极不仅能够同步采集大鼠在跑台上模拟人类行走过程中的坐骨神经信号,还成功地把模拟神经脉冲电信号传输给自由状态下的大鼠坐骨神经,在大鼠的躯体感觉脑区诱发出刺激事件相关脑电位,液态金属电极从坐骨神经本身也记录到刺激诱发的大量神经场电位和动作电位。以上在生物体内外的实验表明,液态金属外周神经电极不仅具备媲美外周神经的柔性和拉伸性能,而且实现了运动和感觉神经信号的长期双向传输,显示了其成为人工外周神经并替代生物外周神经功能的潜力。

  应该说,液态金属外周神经电极具有广泛的应用前景,可以作为外周神经的接口器件,在神经科学、神经疾病和脑机接口等领域发挥着重要作用。未来,液态金属外周神经电极可以作为神经疾病监测设备的传感器、疾病干预设备的刺激器、脑机接口设备的信息传递媒介,甚至作为人工外周神经假体对损伤的外周神经组织进行修复、替代或增强。具有良好生物相容性和柔性的外周神经电极能够减少组织损伤和延长电极长期工作寿命,使外周神经电极跨入未来广阔的应用发展空间,推动神经疾病治疗(如神经麻痹、癫痫、帕金森氏综合征及脊髓损伤)、神经假体(如人工神经束、人工脊髓)、神经接口(如瘫痪病人神经操控设备、与神经系统连接的假肢)等多领域的技术进步。

  (作者:李雷、汤戎昱,分别系耀世娱乐理化技术研究所副研究员,香港理工大学副研究员)

打印 责任编辑:梁春雨

扫一扫在手机打开当前页

© 1996 - 耀世娱乐 版权所有   网站标识码bm48000002

地址:香港市西城区三里河路52号 邮编:100864

电话: 123456(总机) 666666(总值班室)

编辑部邮箱:123456@qq.com

  • © 1996 - 耀世娱乐 版权所有   网站标识码bm48000002

    地址:香港市西城区三里河路52号 邮编:100864

    电话: 123456(总机) 666666(总值班室)

    编辑部邮箱:123456@qq.com

  • © 1996 - 耀世娱乐 版权所有

    地址:香港市西城区三里河路52号 邮编:100864
    电话:123456(总机)
       666666(总值班室)
    编辑部邮箱:123456@qq.com