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特殊结构“稳住”液态金属 给小动物来一次心电检测

2022-04-28 09:03:39 互联网233
  400%在该结构下,电子器件具有高达400%的拉伸应变能力,而且在实验动物牛蛙和家兔的体内,展现了稳定可靠的生物电信号检测能力,拓展了液态金属在可拉伸植入电子器件的应 ?

  400%

  在该结构下,电子器件具有高达400%的拉伸应变能力,而且在实验动物牛蛙和家兔的体内,展现了稳定可靠的生物电信号检测能力,拓展了液态金属在可拉伸植入电子器件的应用范围。

  说起金属,一股坚硬、冰冷、锐利的气息扑面而来,但自然界的金属并非都那么“冷酷无情”。

  液态金属,是一种在室温下呈现液态的不定形金属,例如汞、铷、铯、镓等。它们柔软、可塑,同时具有较高的电导率,因此可以被加工成柔性电子材料,变身为电子皮肤、可穿戴健康监测设备、软体机器人等传感器件,监测生命体征,进行人机交互……

  较为柔软的先天优势,使得液态金属容易被弯曲、拉伸、塑性,但作为植入器件,它们也存在稳定性差、加工困难等特点。

  近期,刊发于国际学术期刊《科学·进展》的最新研究,为液态金属在生物体内检测的应用,打开了一扇窗。在这篇文章中,南京大学现代工程与应用科学学院教授孔德圣带领团队通过的结构设计,让液态金属在可植入电子器件中长期稳定工作。在该结构下,电子器件具有高达400%的拉伸应变能力,而且在实验动物牛蛙和家兔的体内,展现了稳定可靠的生物电信号检测能力,拓展了液态金属在可拉伸植入电子方面的应用范围。

  可拉伸电子器件的理想导体选择

  在元素周期表的118个元素中,金属高达96种。在如此多的金属中,有几种零星的金属在常温下处于液态,如镓、铷、铯、汞、钫。

  在这5种金属中,汞最为人所知,其最典型的应用是体温计、血压计、电极、旋转镜面天文望远镜、日光灯等,但由于汞在常温下极易弥散出剧毒性蒸气,致使其制作和使用存在风险,因而在日常生中正逐步被禁用。

  而铷、铯、钫具有放射性,三者与钠钾合金的化学性质一样,都很泼,易于与水甚至冰发生剧烈反应,迅速释放热量从而产生爆炸,因而只能用在场合。

  “镓的生物安全性和综合优势都是罕见的,许多关于液态金属的研究与应用正是从镓开始的。”论文的共同通讯作者孔德圣告诉科技日报记者,镓的熔点约为30℃,在室温下处于熔融态,像水一样具有流动性,而且反复变形也不会有损伤,同时具有金属材料的高导电率,这让它成为可拉伸电子器件和系统的理想选择。

  当前明星般存在的液态金属镓,虽然早在100多年前就被发现,但长期未被重视。此前镓主要以化合物形式得到应用,如氮化镓、砷化镓、磷化镓等均是经典的半导体材料,镓真正的普及化应用和研究直到近20年来才开始。

  “目前常见的两种镓基液态金属是镓铟合金和镓铟锡合金,前者的镓和铟按照3∶1的质量比形成合金,其熔点可降低为15.7℃,后者的镓、铟、锡按照68%、22%、10%的质量比形成合金,其熔点可降至0℃以下。不过,镓基液态金属的熔点可以通过改变合金含量来调整。”孔德圣介绍,镓基液态金属不仅可以单独作为导电聚合物复合材料的导电填料,还可以作为改进导电填料的添加剂,使得导电聚合物复合材料的柔性、耐腐蚀和耐热等性能得到改善。镓基液态金属作为导电填料时,还会大大增加整体结构的柔韧性、柔软性和拉伸极限。

  给合金穿上“外衣”抵抗腐蚀

  此次研究中团队使用的镓铟合金,配比为75.5∶24.5,熔点温度接近16℃,这意味着,在16℃以上的温度里,镓铟合金为液态。

  柔软、形态可塑、高导电率让镓基液态金属成为柔性电子材料的宠儿,却不能避免这些特性带来的先天不足。

  “镓基液态金属能否在体内的植入设备中使用,特别是能否被加工成高精度的图案化的电极,是近年来的研究热点。”孔德圣介绍,熔融后的镓基液态金属像水一样柔软、无形,所以想将它们固定成一块传感器件,就需要精密加工的助力。

  除了塑性,抗腐蚀也是镓基液态金属作为体内植入设备必须具备的“基本素养”。

  “生物体体液里有大量盐分,金属长期浸润在里面,会被腐蚀,从而降低器件的稳定性,我们在一些早期测试里曾发现,如果镓铟合金直接与生物体接触,几小时后,金属表面就会失去光泽、变色,电阻也会上升。”

  如何既保留镓铟合金的柔软、高导电特性,又能让它们在生物体内指哪打哪、结实耐用,是

  学者们面临的普遍挑战。

  经历长达两年的时间,孔德圣团队终于摸索出一套解决方案。

  记者看到,在他们设计的镓铟合金传感器电极阵列中,一根根“电线”平行笔直地排列,这是一条条“穿”了一层橡胶材料的镓铟合金,“用橡胶包裹镓铟合金,就像往暖水袋里灌水一样,既能保持合金塑性,又能让它们抵抗生物体体液的腐蚀。”孔德圣说。

  在一排排线路的终点,是一个圆形电极,电极的“内芯”是裸漏出来的镓铟合金,上面覆盖了一层碳纳米管复合材料。电极的表面则涂上一层微裂纹状的导电聚合物。

  “导电聚合物可以降低电极界面阻抗,让电极与生物组织直接接触、收集信号,再经由镓铟合金电路直接传输到监测设备上。”孔德圣解读,为了让镓铟合金从橡胶“外套”中暴露出来,要用激光在精细的电路上钻孔,这对加工工艺的精细化要求很高。

  碳纳米管复合材料的导电性有限,在传感器件中大量使用会导致信号模糊。对此,团队压缩复合导电材料的厚度,以减小电阻。

  获得牛蛙和家兔的清晰心电图

  制成传感器电极阵列后,镓铟合金是否还柔软、形态多变、高导电?“结果是让我们欣慰的。”孔德圣表示,团队通过电学、力学性能测试后发现,将电极阵列拉伸到原来长度的5倍时,单个电极的阻抗依然远低于1×104欧姆,在反复拉伸到原来两倍的长度达1万次后,传感电极阻抗仍保持稳定。

  “生物组织、器官的表面不都是光滑的、规则的,所以传感器电极阵列要模拟器官在萎缩、膨胀时的多变和高频。”孔德圣解释。

  随后,科研团队在南京大学教授宁兴海团队的协助下,用镓铟合金传感器电极阵列为牛蛙和家兔心电检测。

  牛蛙和家兔是两种心率差异较大的动物模型,牛蛙的心率约33次/分钟,家兔的心率约270次/分钟,非常适于探索电极的广泛适用性。同时,家兔的心电图结构与人类相似度较高,对潜在的临床研究具有较强的指示性。

  团队用凝胶将电极阵列固定在它们的心脏表面,结果发现,在牛蛙和家兔体内获取的心电信号信噪比分别高达263和137。

  “信噪比越高,说明信号的清晰度越高,越有利于看到心电图微小的细节,便于医生诊断疾病。”孔德圣说,在测试过程中,团队还尝试用药物引发家兔心率失常,结果发现家兔心电图波形紊乱,心脏收缩的信号不稳定。但给家兔注入治疗剂后,家兔心率变缓,心跳逐渐恢复正常。

  “高质量的心电信号获取,证明了镓铟合金传感电极阵列在心血管疾病的诊断和治疗方面具有巨大的应用前景。”孔德圣说,牛蛙和家兔的心电测试,虽然各自只持续了几个小时,但对于术间监测,表现出一定的应用潜力,未来也许可以考虑在脑监测仪、心脏起搏器等长期植入设备中添加液态金属部件。

  不过,他并不讳言,想真正走向临床应用,还需要解决大量问题,例如镓铟合金传感电极阵列的长期稳定性、与生物体的兼容性、大规模加工的潜在成本问题以及理想的应用场景。“虽然从原材料到器件终端,还有很长的路要走,但液态金属研究和应用的大门正在徐徐打开。”孔德圣对未来充满希望。记者 金 凤

(责任编辑:支艳蓉)