天博液态金属“变身”神经电极：向解密生命进发—新闻—科学网

科学家们已经经证实，神经传导现实上是一种电化学的历程 神经纤维上挨次发生的电化学变迁，让人类的 设法 酿成了动作，让年夜脑可以或许批示身体。那末，人类能不克不及模仿这类神经传导体式格局呢？这类测验考试一旦乐成，不只可以或许让人们更相识生命的秘密，更能治愈多种临床疾病。人们始终于起劲寻觅最适合的质料去打造最切近生命体式格局的 放电 传导 以及 探测 器件 神经电极。液态金属是一种新型质料，它的呈现以及不停进展，给神经电极的制备以及研究带来新选择。

1.神经电极质料的成长，每每可以或许动员神经科学的前进

神经电极是一种探测神经旌旗灯号的传感器件，请勿小视这不起眼的电极，它的每一一点革新都带来了神经科学范畴的伟大前进。

神经电极的汗青可以追溯到1786年，意年夜利科学家伽尔伐尼于试验室剖解田鸡时，铜以及锌做成的金属弓偶尔遇到了蛙腿神经，于原电池作用下孕育发生的电流居然使蛙腿痉挛起来。如今看来，这把金属弓生怕就是人类最早的神经电极雏形了。

于接下来的百余年间，科学家手工建造出各类神经电极，这些初期的神经电极多接纳一根细细的金属丝外部包裹着不导电的涂层，只于尖端显露一点金属来探测神经旌旗灯号。恰是依赖这些略显简朴的神经电极，科学家们揭开了神经科学面纱的一角，搞大白了神经细胞表里有电势差，能孕育发生动作电位来传输信息，这是神经体系可以或许思索以及觉得的根蒂根基。

可是当科学家们把眼光转移到单个神经细胞时却碰到了难以降服的坚苦 金属细丝电极的配景乐音过年夜，没法探测到幽微的单个细胞旌旗灯号。

始终到第二次世界年夜战以后，一种意想不到的新质料 博璃被运用到神经电极，才极年夜减小了神经探测中的配景乐音。博璃管电极发现的要害人物是一名年青的中国留学生 凌宁。他以及导师杰勒德一路开创性地把博璃拉制成尖端仅有0.5微米的毛细博璃管，管内充入盐溶液导电，博璃管后端有金属丝浸入于盐溶液中并与外电路相连，乐成地探测到了清楚的单个细胞动作电位旌旗灯号。博璃管电极的发现间接催生了现代神经电心理学，细胞膜电位以及膜片钳电极等几项得到诺贝尔奖的神经电心理学结果都成立于它的根蒂根基上。于博璃管电极的帮忙下，人类窥见了神经细胞内部的奥秘，探测到了单个卵白质组成的离子通道的打开以及封闭，理解了神经细胞之间突触毗连的细微事情机制。

跟着神经研究的深切，科学家对于神经细胞的群体举动愈来愈感乐趣，究竟人的年夜脑是由数目重大的神经细胞组成的，这就需要有通道数目充足多的神经电极来同时探测成千上万个神经细胞。20世纪60年月呈现了基在半导体质料的集成电路技能，使患上于很小的面积里可以或许容纳许多通道的神经电极，这就是集成式的神经电极阵列。

此刻被广泛运用的各类多通道神经电极阵列基本上都是集成式神经电极，例如基在硅质料的密歇根电极、犹他电极以及神经像素电极（Neuropixels）等。它们被植入年夜脑以及神经体系，使科学家可以或许同时获取成千盈百个神经细胞的旌旗灯号，帮忙人类破解年夜脑思维的奥秘；也能将编码的电旌旗灯号发送给神经收集，医治神经毁伤以及疾病，以至替换加强神经功效。

2.液态金属让解决神经电极的生物相容性以及事情长期性问题看到曙光

回首近两百年来神经电极的成长过程，从金属弓、金属丝、博璃到半导体质料，质料的更新换代鞭策着神经电极的前进。现代的神经科学对于神经电极提出了更高的要求，不只需要于配景乐音以及通道数目等方面继承晋升，也更看重生物相容性以及于体事情长期性等方面的机能。

始终以来，让神经科学家们感应忧?的是，不管神经科学研究照旧神经疾病的医治都需要神经电极尽可能持久地待于生物体内，但这对于神经电极来讲是一件很是坚苦的工作。基在博璃、硅以及固体金属质料的神经电极多数很是坚硬，以及生物体神经构造的柔软以及弹性难以婚配。一方面，坚硬的神经电极很轻易碰伤神经细胞；另外一方面，生物体的排异反映会生长出疤痕构造包裹电极，拦阻电极与神经细胞的毗连。

最近几年来，科学家测验考试使用各类柔性的质料来建造电极，以便减小神经电极的构造危险，延伸神经电极的事情寿命。

对于在外周神经电极来讲，对于质料的柔性以及弹性的要求就更高了 外周神经电极可以或许与生物外周神经束造成毗连，获取神经旌旗灯号或者对于神经举行刺激，广泛运用在神经科学研究、神经疾病医治、神经假体以及神经接口等范畴。外周神经天天城市跟着身体的一样平常运动而孕育发生年夜量的伸缩扭曲变形，抱负的外周神经电极也应该具备像人体神�첩经同样优秀的柔性以及弹性，才气追随身体运动而一直不变无损地事情。可是现有的外周神经电极还没法到达这么高的柔性以及弹性要求。接纳铂、铱、钛、钨等固态金属质料制备的外周神经电极很难举行年夜幅度的伸缩变形，这拦阻了外周神经电极的持久科学研究以及临床医疗运用。

为相识决这些问题，科学家们把眼光投向了液态金属。

液态金属，顾名思义，指的是于室温四周呈液态的金属，也称低熔点金属，如镓基、铋基金属及其合金。此类质料因保险无毒，机能卓着怪异，正成为异军崛起的革命性质料。其他如汞、铯、钠钾合金等虽于常温下也处在液态，但因毒性、放射性及伤害性等要素，于运用上遭到很年夜限定。

镓的熔点很低且沸点很高（达2204℃），于空气中比力不变，蒸汽压也很低。基在镓的金属合金质料，如镓铟合金、镓铟锡合金等，熔点比单一身分的金属单质更低，于是可配患上室温下呈液态的金属合金。最常使用的是EGaIn（镓铟合金）以及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%铟以及10.0%的锡组成，熔点为10.5℃。

镓早于100多年前就被发明，以往重要以化合物体式格局获得运用，如氮化镓、砷化镓、磷化镓等，均是经典的半导体质料。镓基液态金属质料真实的普及化研究以及运用梗概是近20年的事，患上益在海内外学者出格是中国科学家团队于根蒂根基摸索与工业化实践方面的年夜量开创性起劲以及鞭策，液态金属的根蒂根基与运用研究已经从最初的冷门，成长成当前备受国际广泛注目的庞大科技前沿以及热门，于能源、电子、进步前辈打造、生命康健和柔性智能呆板等范畴孕育发生了广泛的影响。

例如，将液态金属作为流体散热介质，其换热系数远高在现有液冷技能；经由过程液态金属印刷电子技能可以实现柔性电路的制备；液态金属3D打印技能可以实现各类电子电路功效器件的倏地成型；基在液态金属质料的柔性传感器以及可穿着装备已经经实现了人体脉搏颠簸、呼吸状况等信息的及时监测；液态金属可以轻易地实现固态以及液态的改变，基在此理念设计的液态金属外骨骼夹具已经经获得了临床运用。

3.于液态金属神经电极的研究中，中国科学家已经经走到国际前沿

近日，中国科学院理化技能研究所以及北京理工年夜学的科研职员将液态金属质料引入外周神经电极打造范畴，使外周神经电极的柔性以及生物相容性取患了冲破性的提高，开端显示了液态金属外周神经电极于探测、加强以至替换生物外周神经功效范畴的伟大潜力。

液态金属质料兼具流体的流动性以及金属的导电性，与其他柔性的绝缘质料如硅橡胶联合，可以用来建造柔性、可拉伸的外周神经电极。中国科学家们用镓铟锡合金以及人体硅胶质料制备的液态金属外周神经电极具备精良的可拉伸性以及可旋转性，其弹性模量仅为铂的十万分到百万分之1、与硅橡胶及一些典型的柔性生物构造如骨骼肌以及皮肤邻近，这将有助在削减电极植入后对于生物构造酿成的机械毁伤。液态金属外周神经电极还具有精良的导电性，其电导率远远高在导电水凝胶、离子液体以及导电聚合物PEDOT:PSS，并与铂处在统一数目级。因为液态金属具备室温液态的特征，于拉伸后也能连结精彩的导电性，这是铂等刚性电极所不具有的上风，由此制成的液态金属外周神经电极可以或许顺应生物体的重复拉伸或者扭曲等姿态变迁，同时仍能连结高信噪比神经旌旗灯号的不变有用双向传输。

液态金属神经电极于植物试验中取患了精良的效果。试验中，科学家们将液态金属外周神经电极植入到年夜鼠体内，于体植入的电极不只经受了年夜鼠自由运动状况下的重复拉伸，还一直连结了运动以及觉得神经信息于电极内双向传输的威力。液态金属电极不只可以或许同步收罗年夜鼠于跑台上模仿人类行走历程中的坐骨神经旌旗灯号，还乐成地把模仿神经脉冲电旌旗灯号传输给自由状况下的年夜鼠坐骨神经，于年夜鼠的躯体觉得脑区诱发出刺激事务相干脑电位，液态金属电极从坐骨神经自己也记载到刺激诱发的年夜量神经场电位以及动作电位。以上于生物体表里的试验注解，液态金属外周神经电极不只具有媲美外周神经的柔性以及拉伸机能，并且实现了运动以及觉得神经旌旗灯号的持久双向传输，显示了其成为人工外周神经并替换生物外周神经功效的潜力。

应该说，液态金属外周神经电极具备广泛的运用远景，可以作为外周神经的接口器件，于神经科学、神经疾病以及脑机接口等范畴阐扬着主要作用。将来，液态金属外周神经电极可以作为神经疾病监测装备的传感器、疾病干涉干与装备的刺激器、脑机接口装备的信息通报前言，以至作为人工外周神经假体对于毁伤的外周神经构造举行修复、替换或者加强。具备精良生物相容性以及柔性的外周神经电极可以或许削减构造毁伤以及延伸电极持久事情寿命，使外周神经电极跨入将来广漠的运用成长空间，鞭策神经疾病医治（如神经麻木、癫痫、帕金森氏综合征及脊髓毁伤）、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装备、与神经体系毗连的假肢）等多范畴的技能前进。

（作者：李雷、汤戎昱，别离系中国科学院理化技能研究所副研究员，北京理工年夜学副研究员）

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