深入内部的间谍:超微型电极无处不在

新一代电极足够小巧灵活,可以植入心脏或大脑内部

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电力控制着人体的大部分功能:想想神经元的放电和心脏传输的电流。然而,历史上医学上用于监测和调节基本活动的电极,由于其僵硬、体积大且对水敏感,因此在生物学上是不相容的。

现在,科学家们正在为柔性、可拉伸和防水的电路和电极设定新标准,这些电路和电极模仿人体组织的特性。这些新方法还可以更自然、更轻松地监测和控制生物电活动。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的材料科学家约翰·A·罗杰斯开发了一种技术,用化学蚀刻剂将硅晶片或LED薄片切开。然后,为了使它们既有弹性又灵活,他将它们弯曲成波浪状,并将它们连接到橡胶平台上。最后,罗杰斯用聚合物封装它们,使其防水。由此产生的电极“可以像保鲜膜一样包裹在组织表面,”他说。

他最近使用这项技术开发了一种治疗心房颤动的工具,心房颤动是一种影响两百万美国人的心律失常。这项研究发表在3月份的《自然·材料》(Nature Materials)(自然出版集团旗下期刊,该集团也拥有《大众科学》)。为了确定心律失常的位置,外科医生通常会将一根装有单个电极的导管插入静脉,并引导其到达心脏。在那里,它会追踪电活动,这个过程可能需要长达一个小时。最后,他们用另一根导管通过烧灼功能失调的组织来修复心律失常。


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罗杰斯说:“一次使用大量电极进行测量将是一个真正的优势。而且,如果您可以在此基础上增加测量其他事物的能力,那将是独一无二的。”罗杰斯和他的同事们刚刚成立了一家初创公司来将这项技术商业化,他们计划在九个月内开始人体测试。

波士顿退伍军人医疗保健系统电生理学副主任、心脏病专家马修·雷诺兹说:“一次使用大量电极进行测量将是一个真正的优势。而且,如果您可以在此基础上增加测量其他事物的能力,那将是独一无二的。”罗杰斯和他的同事们刚刚成立了一家初创公司来将这项技术商业化,他们计划在九个月内开始人体测试。

罗杰斯现在正将注意力转向医学的其他领域。在他刚刚提交发表的一项工作中,罗杰斯使用类似塑料薄膜的电极片来精确定位严重癫痫患者大脑中引起癫痫发作的区域。与目前的技术相比,他能够实时收集数据,覆盖更大的表面积,并提高灵敏度。他还致力于开发皮肤设备,用于监测运动或军事应用中的体温、脉搏率和血氧饱和度。他希望这些设备能够与身体完美融合,以至于完全不被察觉,就像第二层皮肤一样。

梅琳达·温纳·莫耶,《大众科学》的特约编辑,是《如何培养不出混蛋的孩子:从幼儿到青少年,基于科学的更好育儿策略》(G. P. Putnam’s Sons,2021年)的作者。她在2021年9月号上撰写了关于自身免疫性疾病绝大多数影响女性的原因。

更多作者:梅琳达·温纳·莫耶
大众科学杂志 第304卷 第6期本文最初以“深入内部的间谍:超微型电极无处不在”为标题发表于大众科学杂志 第304卷 第6期 ()
doi:10.1038/scientificamerican062011-7gjWBIE3Glr7HwikbLNKoT
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