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在該結(jié)構(gòu)下，電子器件具有高達(dá)400%的拉伸應(yīng)變能力，而且在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物牛蛙和家兔的體內(nèi)，展現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的生物電信號(hào)檢測(cè)能力，拓展了液態(tài)金屬在可拉伸植入電子器件的應(yīng)用范圍。
說(shuō)起金屬，一股堅(jiān)硬、冰冷、銳利的氣息撲面而來(lái)，但自然界的金屬并非都那么“冷酷無(wú)情”。
液態(tài)金屬，是一種在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的不定形金屬，例如汞、銣、銫、鎵等。它們?nèi)彳?、可塑，同時(shí)具有較高的電導(dǎo)率，因此可以被加工成柔性電子材料，變身為電子皮膚、可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、軟體機(jī)器人等傳感器件，監(jiān)測(cè)生命體征，進(jìn)行人機(jī)交互……
較為柔軟的先天優(yōu)勢(shì)，使得液態(tài)金屬容易被彎曲、拉伸、塑性，但作為植入器件，它們也存在穩(wěn)定性差、加工困難等特點(diǎn)。
近期，刊發(fā)于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》的最新研究，為液態(tài)金屬在生物體內(nèi)檢測(cè)的應(yīng)用，打開(kāi)了一扇窗。在這篇文章中，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授孔德圣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓液態(tài)金屬在可植入電子器件中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。在該結(jié)構(gòu)下，電子器件具有高達(dá)400%的拉伸應(yīng)變能力，而且在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物牛蛙和家兔的體內(nèi)，展現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的生物電信號(hào)檢測(cè)能力，拓展了液態(tài)金屬在可拉伸植入電子方面的應(yīng)用范圍。
可拉伸電子器件的理想導(dǎo)體選擇
在元素周期表的118個(gè)元素中，金屬高達(dá)96種。在如此多的金屬中，有幾種零星的金屬在常溫下處于液態(tài)，如鎵、銣、銫、汞、鈁。
在這5種金屬中，汞最為人所知，其最典型的應(yīng)用是體溫計(jì)、血壓計(jì)、電極、旋轉(zhuǎn)鏡面天文望遠(yuǎn)鏡、日光燈等，但由于汞在常溫下極易彌散出劇毒性蒸氣，致使其制作和使用存在風(fēng)險(xiǎn)，因而在日常生活中正逐步被禁用。
而銣、銫、鈁具有放射性，三者與鈉鉀合金的化學(xué)性質(zhì)一樣，都很活潑，易于與水甚至冰發(fā)生劇烈反應(yīng)，迅速釋放熱量從而產(chǎn)生爆炸，因而只能用在特殊場(chǎng)合。
“鎵的生物安全性和綜合優(yōu)勢(shì)都是罕見(jiàn)的，許多關(guān)于液態(tài)金屬的研究與應(yīng)用正是從鎵開(kāi)始的。”論文的共同通訊作者孔德圣告訴科技日?qǐng)?bào)記者，鎵的熔點(diǎn)約為30℃，在室溫下處于熔融態(tài)，像水一樣具有流動(dòng)性，而且反復(fù)變形也不會(huì)有損傷，同時(shí)具有金屬材料的高導(dǎo)電率，這讓它成為可拉伸電子器件和系統(tǒng)的理想選擇。
當(dāng)前明星般存在的液態(tài)金屬鎵，雖然早在100多年前就被發(fā)現(xiàn)，但長(zhǎng)期未被重視。此前鎵主要以化合物形式得到應(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，鎵真正的普及化應(yīng)用和研究直到近20年來(lái)才開(kāi)始。
“目前常見(jiàn)的兩種鎵基液態(tài)金屬是鎵銦合金和鎵銦錫合金，前者的鎵和銦按照3∶1的質(zhì)量比形成合金，其熔點(diǎn)可降低為15.7℃，后者的鎵、銦、錫按照68%、22%、10%的質(zhì)量比形成合金，其熔點(diǎn)可降至0℃以下。不過(guò)，鎵基液態(tài)金屬的熔點(diǎn)可以通過(guò)改變合金含量來(lái)調(diào)整。”孔德圣介紹，鎵基液態(tài)金屬不僅可以單獨(dú)作為導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電填料，還可以作為改進(jìn)導(dǎo)電填料的添加劑，使得導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的柔性、耐腐蝕和耐熱等性能得到改善。鎵基液態(tài)金屬作為導(dǎo)電填料時(shí)，還會(huì)大大增加整體結(jié)構(gòu)的柔韌性、柔軟性和拉伸極限。
給合金穿上“外衣”抵抗腐蝕
此次研究中團(tuán)隊(duì)使用的鎵銦合金，配比為75.5∶24.5，熔點(diǎn)溫度接近16℃，這意味著，在16℃以上的溫度里，鎵銦合金為液態(tài)。
柔軟、形態(tài)可塑、高導(dǎo)電率讓鎵基液態(tài)金屬成為柔性電子材料的寵兒，卻不能避免這些特性帶來(lái)的先天不足。
“鎵基液態(tài)金屬能否在體內(nèi)的植入設(shè)備中使用，特別是能否被加工成高精度的圖案化的電極，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。”孔德圣介紹，熔融后的鎵基液態(tài)金屬像水一樣柔軟、無(wú)形，所以想將它們固定成一塊傳感器件，就需要精密加工的助力。
除了塑性，抗腐蝕也是鎵基液態(tài)金屬作為體內(nèi)植入設(shè)備必須具備的“基本素養(yǎng)”。
“生物體體液里有大量鹽分，金屬長(zhǎng)期浸潤(rùn)在里面，會(huì)被腐蝕，從而降低器件的穩(wěn)定性，我們?cè)谝恍┰缙跍y(cè)試?yán)镌l(fā)現(xiàn)，如果鎵銦合金直接與生物體接觸，幾小時(shí)后，金屬表面就會(huì)失去光澤、變色，電阻也會(huì)上升。”
如何既保留鎵銦合金的柔軟、高導(dǎo)電特性，又能讓它們?cè)谏矬w內(nèi)指哪打哪、結(jié)實(shí)耐用，是學(xué)者們面臨的普遍挑戰(zhàn)。
經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)兩年的時(shí)間，孔德圣團(tuán)隊(duì)終于摸索出一套解決方案。
記者看到，在他們?cè)O(shè)計(jì)的鎵銦合金傳感器電極陣列中，一根根“電線(xiàn)”平行筆直地排列，這是一條條“穿”了一層橡膠材料的鎵銦合金，“用橡膠包裹鎵銦合金，就像往暖水袋里灌水一樣，既能保持合金塑性，又能讓它們抵抗生物體體液的腐蝕。”孔德圣說(shuō)。
在一排排線(xiàn)路的終點(diǎn)，是一個(gè)圓形電極，電極的“內(nèi)芯”是裸漏出來(lái)的鎵銦合金，上面覆蓋了一層碳納米管復(fù)合材料。電極的表面則涂上一層微裂紋狀的導(dǎo)電聚合物。
“導(dǎo)電聚合物可以降低電極界面阻抗，讓電極與生物組織直接接觸、收集信號(hào)，再經(jīng)由鎵銦合金電路直接傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)設(shè)備上。”孔德圣解讀，為了讓鎵銦合金從橡膠“外套”中暴露出來(lái)，要用激光在精細(xì)的電路上鉆孔，這對(duì)加工工藝的精細(xì)化要求很高。
碳納米管復(fù)合材料的導(dǎo)電性有限，在傳感器件中大量使用會(huì)導(dǎo)致信號(hào)模糊。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)壓縮復(fù)合導(dǎo)電材料的厚度，以減小電阻。
獲得牛蛙和家兔的清晰心電圖
制成傳感器電極陣列后，鎵銦合金是否還柔軟、形態(tài)多變、高導(dǎo)電？“結(jié)果是讓我們欣慰的。”孔德圣表示，團(tuán)隊(duì)通過(guò)電學(xué)、力學(xué)性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，將電極陣列拉伸到原來(lái)長(zhǎng)度的5倍時(shí)，單個(gè)電極的阻抗依然遠(yuǎn)低于1×104歐姆，在反復(fù)拉伸到原來(lái)兩倍的長(zhǎng)度達(dá)1萬(wàn)次后，傳感電極阻抗仍保持穩(wěn)定。
“生物組織、器官的表面不都是光滑的、規(guī)則的，所以傳感器電極陣列要模擬器官在萎縮、膨脹時(shí)的多變和高頻。”孔德圣解釋。
隨后，科研團(tuán)隊(duì)在南京大學(xué)教授寧興海團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，用鎵銦合金傳感器電極陣列為牛蛙和家兔做心電檢測(cè)。
牛蛙和家兔是兩種心率差異較大的動(dòng)物模型，牛蛙的心率約33次/分鐘，家兔的心率約270次/分鐘，非常適于探索電極的廣泛適用性。同時(shí)，家兔的心電圖結(jié)構(gòu)與人類(lèi)相似度較高，對(duì)潛在的臨床研究具有較強(qiáng)的指示性。
團(tuán)隊(duì)用凝膠將電極陣列固定在它們的心臟表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在牛蛙和家兔體內(nèi)獲取的心電信號(hào)信噪比分別高達(dá)263和137。
“信噪比越高，說(shuō)明信號(hào)的清晰度越高，越有利于看到心電圖微小的細(xì)節(jié)，便于醫(yī)生診斷疾病。”孔德圣說(shuō)，在測(cè)試過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)還嘗試用藥物引發(fā)家兔心率失常，結(jié)果發(fā)現(xiàn)家兔心電圖波形紊亂，心臟收縮的信號(hào)不穩(wěn)定。但給家兔注入治療劑后，家兔心率變緩，心跳逐漸恢復(fù)正常。
“高質(zhì)量的心電信號(hào)獲取，證明了鎵銦合金傳感電極陣列在心血管疾病的診斷和治療方面具有巨大的應(yīng)用前景。”孔德圣說(shuō)，牛蛙和家兔的心電測(cè)試，雖然各自只持續(xù)了幾個(gè)小時(shí)，但對(duì)于術(shù)間監(jiān)測(cè)，表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，未來(lái)也許可以考慮在腦監(jiān)測(cè)儀、心臟起搏器等長(zhǎng)期植入設(shè)備中添加液態(tài)金屬部件。
不過(guò)，他并不諱言，想真正走向臨床應(yīng)用，還需要解決大量問(wèn)題，例如鎵銦合金傳感電極陣列的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、與生物體的兼容性、大規(guī)模加工的潛在成本問(wèn)題以及理想的應(yīng)用場(chǎng)景。“雖然從原材料到器件終端，還有很長(zhǎng)的路要走，但液態(tài)金屬研究和應(yīng)用的大門(mén)正在徐徐打開(kāi)。”孔德圣對(duì)未來(lái)充滿(mǎn)希望。
標(biāo)簽： 特殊結(jié)構(gòu) 液態(tài)金屬 心電檢測(cè)
