柔性電子元件能捕捉大腦信號

林雪平大學有機電子實驗室首席研究員Klas Tybrandt開發了一種用於長期的穩定的神經記錄的新技術。這種新技術基於一種新型彈性複合材料，這種複合材料具有生物相容性，即使拉伸至其原始長度兩倍時仍然保持高導電性。

這個結果是與蘇黎世和紐約的同事合作取得的。這項技術的突破對於生物醫學工程許多應用至關重要，表述該技術突破的論文發表在著名科學雜誌Advanced Materials上（"High-Density Stretchable Electrode Grids for Chronic Neural Recording"）。

圖片是柔性電極。（圖片來源：Klas Tybrandt）

電子元件與神經細胞之間的耦合不僅對於收集細胞信號傳導的信息至關重要，而且對於診斷和治療諸如癲癇的神經障礙和疾病也是至關重要的。

實現長期穩定的連接且不會損傷神經元或組織，這是非常具有挑戰性的，因為這兩個系統，即人體的柔軟和彈性組織以及堅硬和剛性的電子元件，具有完全不同的力學特性。

「由於人體組織具有彈性和移動性，因此與剛性電子元件的界面會產生損傷和炎症。這不僅會導致組織損傷，還會削弱神經信號。」林雪平大學北雪平校區的有機電子實驗室柔性電子小組的負責人Klas Tybrandt說。

Klas Tybrandt開發了一種新型導電材料，這種材料與人體組織一樣柔軟，可以拉伸到其長度的兩倍。該材料由鍍金的二氧化鈦納米線組成，嵌入硅橡膠中。該材料具有生物相容性 - 這意味著它可以與人體接觸而不會產生不良影響 - 並且其電導率隨著時間的推移能夠保持穩定。

「柔性導電複合材料的微加工涉及多種挑戰。我們已經開發出一種製造小電極的工藝，該工藝同時能夠保留材料的生物相容性。該工藝使用的材料非常少，這意味著我們可以使用相對較貴的材料（如黃金），而不至於成本過高。」Klas Tybrandt說。

電極的尺寸為50微米，彼此之間的距離為200微米。製造過程允許將32個電極放置在非常小的表面上。

柔性微電極是由林雪平大學和蘇黎世聯邦理工學院開發，紐約大學和哥倫比亞大學的研究人員們隨後將其植入大鼠的大腦。研究人員能夠從自由移動的大鼠中收集高質量的神經信號3個月。這些實驗已經遵照倫理審查，並且遵循了管理動物實驗的嚴格規定。

「當大腦中的神經元傳輸信號時，會形成一個電壓，電極通過一個微小的放大器檢測並向前傳輸。我們還可以看到信號來自哪個電極，這意味著我們可以估計信號起源的大腦位置。這種類型的時空信息對未來的應用很重要。例如，我們希望能夠看到導致癲癇發作的信號在哪裡開始，這是治療它的先決條件。另一個應用領域是腦機介面，未來的技術可以通過神經信號進行假體的控制。還有許多有趣的應用，涉及身體周圍神經系統和它調節各種器官的方式。」Klas Tybrandt說。

這一突破是Soft Electronics研究方向的基礎，該研究方向目前正在林雪平大學設立，由Klas Tybrandt擔任首席研究員。

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