理大研發(fā)液態(tài)金屬微電極 具柔軟、透氣、可拉伸優(yōu)點 可用于植入式生物電子裝置

來源：香港理工大學(xué)研究及創(chuàng)新事務(wù)處 ，作者PolyU RIO

植入式生物電子裝置可以緊貼皮膚，甚至是放入人體，相信將在未來被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，例如醫(yī)療科技，甚或是新興的擴增實境技術(shù)。香港理工大學(xué)（理大）的研究團隊成功研發(fā)出一種獨特的微電極，能適用于上述用途。此研究成果已于國際科學(xué)期刊《Science Advances》發(fā)表。

不同于傳統(tǒng)電子產(chǎn)品，可穿戴或植入式電子裝置的用料需要整合一系列特定性能，例如必須能拉伸自如和柔軟透氣，放置于人體后不會令使用者感到不適或受傷。與此同時，生物電子裝置就如日常家居設(shè)備一樣，仍然需要依賴具備高導(dǎo)電性且可以印上微細(xì)電路圖案的電極。

由理大應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系軟材料及器件講座教授鄭子劍教授領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團隊，成員來自理大時裝及紡織學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系、應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系、智能可穿戴系統(tǒng)研究院和潘樂陶慈善基金智能能源研究院，以及香港城市大學(xué)和香港心腦血管健康工程研究中心。團隊克服多項技術(shù)限制，研發(fā)出一種能應(yīng)用于植入式生物電子裝置的電極，其特點是具前所未有的柔軟度、可拉伸性和可滲透性，在可穿戴科技領(lǐng)域創(chuàng)新猷。

此技術(shù)的關(guān)鍵步驟，是將一種纖維聚合物以靜電紡絲的方法，放到銀質(zhì)微型電路圖案上，從而產(chǎn)生液態(tài)金屬微電極（簡稱μLME），可以以超高密度進(jìn)行電路圖案化，達(dá)至每平方厘米多達(dá)75,500個電極，比過往的技術(shù)多出數(shù)千倍。這些μLME具有長期生物兼容性，人體皮膚能舒適地穿戴，更已證明可用作監(jiān)測動物大腦的特定應(yīng)用。

放在人類手臂上的μLMEs數(shù)字圖像(LM負(fù)荷量，每平方厘米10毫克)

過去，生物兼容的電子裝置均在多孔彈性體上制造，但其多孔而粗糙的基質(zhì)限制了電路圖案的分辨率，因而難以提高電極密度。研究團隊成功突破此瓶頸，透過光刻技術(shù)把電子線路放在纖維聚合物基質(zhì)上，實現(xiàn)了像薄紙般柔軟，能在大應(yīng)變下高度導(dǎo)電，以及具備長期生物兼容性的μLME。

用作μLME的導(dǎo)電組成部分的共晶鎵銦（EGaIn）是一種具有低熔點溫度、能在極端應(yīng)變下保持導(dǎo)電性，同時柔軟且高度生物兼容的液態(tài)金屬合金。制造過程中，以EGaIn制成的電路圖案會放在一片經(jīng)靜電紡絲而成的可滲透「纖維墊」上，該墊為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）。此制法形成了柔軟而可拉伸的電子裝置，可供舒適地穿戴和植入。相對采用不滲透基質(zhì)時僅能轉(zhuǎn)移部份電極微電路圖案，鄭教授的團隊于2021年首次開發(fā)這種超彈性纖維墊概念，用于新開發(fā)的μLME中，保證了來自銀模板的電極微電路圖案能以光刻完全轉(zhuǎn)移。

從硅芯片轉(zhuǎn)移至SBS纖維墊的Ag微型掩模圖像的數(shù)字圖像。

μLME柔軟、可滲透液體和氣體，并且拉伸自如，在高應(yīng)變下反復(fù)拉放后，其電阻只輕微上升。以μLME制成的電子貼在緊貼人體皮膚時，經(jīng)按壓后只會留下微量甚或完全沒有殘留物?？纱┐麟娮友b置本身具有龐大市場潛力，應(yīng)用范圍涵蓋生理監(jiān)測、醫(yī)療診斷和互動技術(shù)，而此技術(shù)突破將進(jìn)一步加強其發(fā)展可能性。

為了驗證μLME的柔軟度和可拉伸性能使其成為植入神經(jīng)接口以進(jìn)行大腦監(jiān)測的理想選擇，團隊亦合成了具有小電極直徑和高信道密度的μLME數(shù)組，用作充當(dāng)老鼠大腦中的皮層電圖信號接收器。μLME具有與腦組織相似的機械性能，能緊貼皮質(zhì)表面，準(zhǔn)確記錄神經(jīng)信號。當(dāng)沉睡中的老鼠發(fā)出非快速眼動睡眠時的典型可識別腦電波時， μLME數(shù)組即能精確檢測到老鼠回應(yīng)施加在身體不同部位電刺激而產(chǎn)生的體感誘發(fā)電位。

高密度μLMEs的數(shù)字圖像，密度高達(dá)每平方厘米75,500個電極。

鄭教授同時是理大智能可穿戴系統(tǒng)研究院副院長及潘樂陶慈善基金智慧能源研究院首席研究員。他表示：「透過結(jié)合光刻技術(shù)和柔軟、可滲透的SBS纖維墊，成就了解像度和生物兼容性均前所未見的μLME微電極，克服了舊有生物電子裝置生產(chǎn)方法的技術(shù)限制，相信可推動醫(yī)療和擴增實境等領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

鄭教授相信μLME微電極可推動醫(yī)療和擴增實境等領(lǐng)域的發(fā)展。

本研究項目獲研資局「高級研究學(xué)者計劃」、理大、香港城市大學(xué)、國家科學(xué)自然基金委員會和InnoHK創(chuàng)新香港研發(fā)平臺資助，團隊期望透過提高刻印μLME圖案的解像度，在未來進(jìn)一步推廣此項發(fā)明。

審核編輯 黃宇