作者：李雷 湯戎昱

 科學(xué)家們已經(jīng)證明，神經(jīng)傳導(dǎo)實(shí)際上是一種電化學(xué)的過(guò)程——神經(jīng)纖維上順序發(fā)生的電化學(xué)變化，讓人類的“想法”變成了動(dòng)作，讓大腦能夠指揮身體。那么，人類能不能模擬這種神經(jīng)傳導(dǎo)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(dǎo)”和“探測(cè)”器件——神經(jīng)電極。液態(tài)金屬是一種新型材料，它的出現(xiàn)和不斷進(jìn)展，給神經(jīng)電極的制備和研究帶來(lái)新選擇。

 1.神經(jīng)電極材料的發(fā)展，往往能夠帶動(dòng)神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步

 神經(jīng)電極是一種探測(cè)神經(jīng)信號(hào)的傳感器件，不要小看這不起眼的電極，它的每一點(diǎn)改進(jìn)都帶來(lái)了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。

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

 在接下來(lái)的百余年間，科學(xué)家手工制作出各種神經(jīng)電極，這些早期的神經(jīng)電極多采用一根細(xì)細(xì)的金屬絲外部包裹著不導(dǎo)電的涂層，只在尖端露出一點(diǎn)金屬來(lái)探測(cè)神經(jīng)信號(hào)。正是依靠這些略顯簡(jiǎn)單的神經(jīng)電極，科學(xué)家們揭開(kāi)了神經(jīng)科學(xué)面紗的一角，弄明白了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外有電勢(shì)差，能產(chǎn)生動(dòng)作電位來(lái)傳輸信息，這是神經(jīng)系統(tǒng)能夠思考和感覺(jué)的基礎(chǔ)。

 但是當(dāng)科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)移到單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞時(shí)卻遇到了難以克服的困難——金屬細(xì)絲電極的背景噪音過(guò)大，無(wú)法探測(cè)到微弱的單個(gè)細(xì)胞信號(hào)。

 一直到第二次世界大戰(zhàn)之后，一種意想不到的新材料——玻璃被應(yīng)用到神經(jīng)電極，才極大減小了神經(jīng)探測(cè)中的背景噪音。玻璃管電極發(fā)明的關(guān)鍵人物是一位年輕的中國(guó)留學(xué)生——凌寧。他和導(dǎo)師杰勒德一起開(kāi)創(chuàng)性地把玻璃拉制成尖端僅有0.5微米的毛細(xì)玻璃管，管內(nèi)充入鹽溶液導(dǎo)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(cè)到了清晰的單個(gè)細(xì)胞動(dòng)作電位信號(hào)。玻璃管電極的發(fā)明直接催生了現(xiàn)代神經(jīng)電生理學(xué)，細(xì)胞膜電位和膜片鉗電極等幾項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的神經(jīng)電生理學(xué)成果都建立在它的基礎(chǔ)上。在玻璃管電極的幫助下，人類窺見(jiàn)了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)部的秘密，探測(cè)到了單個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)成的離子通道的打開(kāi)和關(guān)閉，理解了神經(jīng)細(xì)胞之間突觸連接的細(xì)微工作機(jī)制。

 隨著神經(jīng)研究的深入，科學(xué)家對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的群體行為越來(lái)越感興趣，畢竟人的大腦是由數(shù)量龐大的神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成的，這就需要有通道數(shù)量足夠多的神經(jīng)電極來(lái)同時(shí)探測(cè)成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了基于半導(dǎo)體材料的集成電路技術(shù)，使得在很小的面積里能夠容納很多通道的神經(jīng)電極，這就是集成式的神經(jīng)電極陣列。

 現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的各種多通道神經(jīng)電極陣列基本上都是集成式神經(jīng)電極，例如基于硅材料的密歇根電極、猶他電極和神經(jīng)像素電極（Neuropixels）等。它們被植入大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，使科學(xué)家能夠同時(shí)獲取成百上千個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)，幫助人類破解大腦思維的秘密；也能將編碼的電信號(hào)發(fā)送給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，治療神經(jīng)損傷和疾病，甚至替代增強(qiáng)神經(jīng)功能。

 2.液態(tài)金屬讓解決神經(jīng)電極的生物相容性和工作持久性問(wèn)題看到曙光

 回顧近兩百年來(lái)神經(jīng)電極的發(fā)展歷程，從金屬弓、金屬絲、玻璃到半導(dǎo)體材料，材料的更新?lián)Q代推動(dòng)著神經(jīng)電極的進(jìn)步。現(xiàn)代的神經(jīng)科學(xué)對(duì)神經(jīng)電極提出了更高的要求，不僅需要在背景噪音和通道數(shù)量等方面繼續(xù)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(lái)，讓神經(jīng)科學(xué)家們感到苦惱的是，無(wú)論神經(jīng)科學(xué)研究還是神經(jīng)疾病的治療都需要神經(jīng)電極盡可能長(zhǎng)期地待在生物體內(nèi)，但這對(duì)神經(jīng)電極來(lái)說(shuō)是一件非常困難的事情?；诓ＡА⒐韬凸腆w金屬材料的神經(jīng)電極大都非常堅(jiān)硬，和生物體神經(jīng)組織的柔軟和彈性難以匹配。一方面，堅(jiān)硬的神經(jīng)電極很容易碰傷神經(jīng)細(xì)胞；另一方面，生物體的排異反應(yīng)會(huì)生長(zhǎng)出疤痕組織包裹電極，阻礙電極與神經(jīng)細(xì)胞的連接。

 近年來(lái)，科學(xué)家嘗試使用各種柔性的材料來(lái)制作電極，以便減小神經(jīng)電極的組織傷害，延長(zhǎng)神經(jīng)電極的工作壽命。

 對(duì)于外周神經(jīng)電極來(lái)說(shuō)，對(duì)材料的柔性和彈性的要求就更高了——外周神經(jīng)電極能夠與生物外周神經(jīng)束形成連接，獲取神經(jīng)信號(hào)或?qū)ι窠?jīng)進(jìn)行刺激，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究、神經(jīng)疾病治療、神經(jīng)假體和神經(jīng)接口等領(lǐng)域。外周神經(jīng)每天都會(huì)隨著身體的日常運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生大量的伸縮扭曲變形，理想的外周神經(jīng)電極也應(yīng)該具有像人體神經(jīng)一樣優(yōu)異的柔性和彈性，才能跟隨身體運(yùn)動(dòng)而始終穩(wěn)定無(wú)損地工作。但是現(xiàn)有的外周神經(jīng)電極還無(wú)法達(dá)到這么高的柔性和彈性要求。采用鉑、銥、鈦、鎢等固態(tài)金屬材料制備的外周神經(jīng)電極很難進(jìn)行大幅度的伸縮變形，這阻礙了外周神經(jīng)電極的長(zhǎng)期科學(xué)研究和臨床醫(yī)療應(yīng)用。

 為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們把目光投向了液態(tài)金屬。

 液態(tài)金屬，顧名思義，指的是在室溫附近呈液態(tài)的金屬，也稱低熔點(diǎn)金屬，如鎵基、鉍基金屬及其合金。此類材料因安全無(wú)毒，性能卓越獨(dú)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(tài)，但因毒性、放射性及危險(xiǎn)性等因素，在應(yīng)用上受到很大限制。

 鎵的熔點(diǎn)很低且沸點(diǎn)很高（達(dá)2204℃），在空氣中比較穩(wěn)定，蒸汽壓也很低?；阪壍慕饘俸辖鸩牧希珂夈熀辖?、鎵銦錫合金等，熔點(diǎn)比單一成分的金屬單質(zhì)更低，因而可配得室溫下呈液態(tài)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(diǎn)為15.5℃；Galinstan則由68.5%的鎵、21.5%銦和10.0%的錫構(gòu)成，熔點(diǎn)為10.5℃。

 鎵早在100多年前就被發(fā)現(xiàn)，以往主要以化合物方式得到應(yīng)用，如氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵等，均是經(jīng)典的半導(dǎo)體材料。鎵基液態(tài)金屬材料真正的普及化研究和應(yīng)用大概是近20年的事，得益于國(guó)內(nèi)外學(xué)者特別是中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)探索與工業(yè)化實(shí)踐方面的大量開(kāi)創(chuàng)性努力和推動(dòng)，液態(tài)金屬的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究已從最初的冷門，發(fā)展成當(dāng)前備受國(guó)際廣泛矚目的重大科技前沿和熱點(diǎn)，在能源、電子、先進(jìn)制造、生命健康以及柔性智能機(jī)器等領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。

 例如，將液態(tài)金屬作為流體散熱介質(zhì)，其換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液冷技術(shù)；通過(guò)液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柔性電路的制備；液態(tài)金屬3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種電子電路功能器件的快速成型；基于液態(tài)金屬材料的柔性傳感器和可穿戴設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人體脈搏波動(dòng)、呼吸狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；液態(tài)金屬可以容易地實(shí)現(xiàn)固態(tài)和液態(tài)的轉(zhuǎn)變，基于此理念設(shè)計(jì)的液態(tài)金屬外骨骼夾具已經(jīng)得到了臨床應(yīng)用。

 3.在液態(tài)金屬神經(jīng)電極的研究中，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)走到國(guó)際前沿

 近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所和北京理工大學(xué)的科研人員將液態(tài)金屬材料引入外周神經(jīng)電極制造領(lǐng)域，使外周神經(jīng)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(tài)金屬外周神經(jīng)電極在探測(cè)、增強(qiáng)甚至替代生物外周神經(jīng)功能領(lǐng)域的巨大潛力。

 液態(tài)金屬材料兼具流體的流動(dòng)性和金屬的導(dǎo)電性，與其他柔性的絕緣材料如硅橡膠結(jié)合，可以用來(lái)制作柔性、可拉伸的外周神經(jīng)電極。中國(guó)科學(xué)家們用鎵銦錫合金和人體硅膠材料制備的液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極具有良好的可拉伸性和可扭轉(zhuǎn)性，其彈性模量?jī)H為鉑的十萬(wàn)分到百萬(wàn)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(duì)生物組織造成的機(jī)械損傷。液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極還具備良好的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)電水凝膠、離子液體和導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS，并與鉑處于同一數(shù)量級(jí)。由于液態(tài)金屬具有室溫液態(tài)的特性，在拉伸后也能保持出色的導(dǎo)電性，這是鉑等剛性電極所不具備的優(yōu)勢(shì)，由此制成的液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極能夠適應(yīng)生物體的反復(fù)拉伸或扭曲等姿態(tài)變化，同時(shí)仍能保持高信噪比神經(jīng)信號(hào)的穩(wěn)定有效雙向傳輸。

 液態(tài)金屬神經(jīng)電極在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們將液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極植入到大鼠體內(nèi)，在體植入的電極不僅經(jīng)受了大鼠自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的反復(fù)拉伸，還始終保持了運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)神經(jīng)信息在電極內(nèi)雙向傳輸?shù)哪芰?。液態(tài)金屬電極不僅能夠同步采集大鼠在跑臺(tái)上模擬人類行走過(guò)程中的坐骨神經(jīng)信號(hào)，還成功地把模擬神經(jīng)脈沖電信號(hào)傳輸給自由狀態(tài)下的大鼠坐骨神經(jīng)，在大鼠的軀體感覺(jué)腦區(qū)誘發(fā)出刺激事件相關(guān)腦電位，液態(tài)金屬電極從坐骨神經(jīng)本身也記錄到刺激誘發(fā)的大量神經(jīng)場(chǎng)電位和動(dòng)作電位。以上在生物體內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)表明，液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極不僅具備媲美外周神經(jīng)的柔性和拉伸性能，而且實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)神經(jīng)信號(hào)的長(zhǎng)期雙向傳輸，顯示了其成為人工外周神經(jīng)并替代生物外周神經(jīng)功能的潛力。

 應(yīng)該說(shuō)，液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極具有廣泛的應(yīng)用前景，可以作為外周神經(jīng)的接口器件，在神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)疾病和腦機(jī)接口等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。未來(lái)，液態(tài)金屬外周神經(jīng)電極可以作為神經(jīng)疾病監(jiān)測(cè)設(shè)備的傳感器、疾病干預(yù)設(shè)備的刺激器、腦機(jī)接口設(shè)備的信息傳遞媒介，甚至作為人工外周神經(jīng)假體對(duì)損傷的外周神經(jīng)組織進(jìn)行修復(fù)、替代或增強(qiáng)。具有良好生物相容性和柔性的外周神經(jīng)電極能夠減少組織損傷和延長(zhǎng)電極長(zhǎng)期工作壽命，使外周神經(jīng)電極跨入未來(lái)廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間，推動(dòng)神經(jīng)疾病治療（如神經(jīng)麻痹、癲癇、帕金森氏綜合征及脊髓損傷）、神經(jīng)假體（如人工神經(jīng)束、人工脊髓）、神經(jīng)接口（如癱瘓病人神經(jīng)操控設(shè)備、與神經(jīng)系統(tǒng)連接的假肢）等多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。
【來(lái)源：科創(chuàng)中國(guó)】