特殊结构“稳住”液态金属给小动物来一次心电检测

在此结构下，电子器件具有高达400%的拉伸应变能力，并在牛蛙，兔子等实验动物中表现出稳定可靠的生物电信号检测能力，拓展了液态金属在可拉伸植入式电子器件中的应用范围。

说到金属，一股坚硬，冰冷，尖锐的气息扑面而来，但并不是自然界所有的金属都这么无情。

液态金属是一种在室温下呈液态的非晶态金属，如汞，铷，铯，镓等。它们是柔软的，可塑的，具有高导电性，因此可以加工成柔性电子材料，转化为电子皮肤，可穿戴健康监测设备，软机器人等传感设备，监测生命体征，人机交互...

柔软的先天优势使得液态金属容易弯曲，拉伸和塑性，但作为植入器件，也具有稳定性差，加工困难的特点。

最近几天，发表在国际学术期刊《科学进展》上的最新研究，为液态金属探测在生命体中的应用打开了一扇窗在这篇文章中，南京大学现代工程与应用科学学院教授孔德胜带领团队，通过特殊的结构设计，使液态金属在植入式电子设备中长期稳定工作在这种结构下，电子器件具有高达400%的拉伸应变能力，并在牛蛙，兔子等实验动物中表现出稳定可靠的生物电信号检测能力，拓展了液态金属在可拉伸植入电子器件中的应用范围

可拉伸电子设备的理想导体选择

在元素周期表的118种元素中，有多达96种金属在这么多金属中，有少数零星的金属在室温下是液态的，比如镓，铷，铯，汞，钫等

在这五种金属中，汞最为人熟知，其最典型的应用有温度计，血压计，电极，转镜天文望远镜，荧光灯等但汞在常温下容易分散成剧毒蒸气，导致其制造和使用存在风险，在日常生活中正逐渐被禁用

铷，铯和钫具有放射性它们在化学性质上和钠钾合金一样活泼，容易与水甚至冰发生剧烈反应，迅速放热引起爆炸，所以只能在特殊场合使用

目前，液态镓这种类似恒星的金属早在100多年前就被发现了，但长期以来一直没有受到重视之前镓主要以化合物的形式使用，比如氮化镓，砷化镓，磷化镓，这些都是经典的半导体材料镓的真正普遍应用和研究直到近20年前才开始

目前常见的两种镓基液态金属是镓铟合金和镓铟锡合金前者与镓，铟按质量比3: 1合金化，熔点可降至15.7℃，后者与镓，铟，锡按质量比68%，22%，10%合金化，熔点可降至0℃以下但镓基液态金属的熔点可以通过改变合金含量来调节孔德胜介绍，镓基液态金属不仅可以单独作为导电高分子复合材料的导电填料，还可以作为添加剂改善导电填料，提高导电高分子复合材料的柔韧性，耐腐蚀性和耐热性当镓基液态金属作为导电填料时，也会大大增加整个结构的弹性，柔软度和拉伸极限

给合金涂上一层抗腐蚀的涂层

在这项研究中，我们团队使用的镓铟合金的比例为75.5∶24.5，其熔点接近16℃，这意味着镓铟合金在16℃以上的温度下为液态。

镓基液态金属的柔软性，可塑性和高导电性使其成为柔性电子材料的宠儿，但它无法避免这些特性带来的固有缺陷。

镓基液态金属能否用于体内植入器件，尤其是能否加工成高精度的图案化电极，是最近几年来的研究热点孔德胜介绍说，熔融的镓基液态金属像水一样柔软，看不见，所以如果想把它们固定到传感器设备中，就需要精密加工的帮助

除了可塑性，耐腐蚀性也是镓基液态金属作为体内植入器件必须具备的基本素质。

生物体体液中含有大量盐分，金属长期浸润会被腐蚀，从而降低装置的稳定性在一些早期的测试中，我们发现，如果镓铟合金与生物体直接接触，几个小时后，金属表面会失去光泽，改变颜色，电阻也会上升

如何保持Ga—In合金的柔软性和高导电性，使其在生物体内的任何地方都能发挥作用，坚固耐用，是

学者面临的共同挑战。

两年后，孔德胜的团队终于找到了解决方案。

记者看到，在他们设计的镓铟合金传感器电极阵列中，一根根导线平行笔直排列，这是镓铟合金穿了一层橡胶材料用橡胶包裹镓铟合金，就像把水倒进温水袋，既能保持合金的可塑性，又能使它们抵抗体液的腐蚀孔德胜说

每条线的末端都有一个圆形的电极，电极的内核是裸露的泄漏的镓铟合金，外面覆盖着一层碳纳米管复合材料电极表面涂有一层微裂纹导电聚合物

导电聚合物可以降低电极接口的阻抗，使电极与生物组织直接接触，采集信号，然后通过镓铟合金电路直接传输到监护设备孔德胜解释说，为了让Ga—In合金从橡胶外套中露出来，要用激光在精细的电路上打孔，这就要求加工工艺高度精细化

碳纳米管复合材料的导电性是有限的，它在传感器设备中的广泛使用将导致信号模糊在这方面，团队压缩了复合导电材料的厚度，以降低电阻

得到清晰的牛蛙和兔子的心电图。

传感器电极阵列做出来后，Ga—In合金是否依然柔软，形状多变，导电性高"结果令我们满意"孔德胜说，在测试了电气和机械性能后，研究小组发现，当电极阵列被拉伸到其原始长度的5倍时，单个电极的阻抗仍远低于1×104欧姆，在重复拉伸到其原始长度的2倍1万次后，传感电极的阻抗保持稳定

生物组织和器官的表面并不都是光滑规则的，所以传感器电极阵列要模拟器官在收缩和扩张时的可变性和高频性孔德胜解释道

随后，在南京大学教授宁星海的协助下，研究团队使用Ga—In合金传感器电极阵列对牛蛙和兔子做了心电检测。

牛蛙和兔子是心率相差较大的两种动物模型牛蛙的心率约为33次/分，兔的心率约为270次/分，非常适合探索电极的广泛适用性同时，兔的心电图结构与人类相似，这对于潜在的临床研究具有很强的指示意义

研究小组用凝胶将电极阵列固定在他们的心脏表面，发现在牛蛙和兔子身上获得的心电信号的信噪比分别高达263和137。

信噪比越高，信号的清晰度越高，越能看清心电图的微小细节，方便医生诊断疾病孔德胜说，在测试过程中，研究小组还试图用药物诱导兔子心律不齐结果发现家兔的心电波形紊乱，心脏收缩信号不稳定可是，在给兔子注射治疗剂后，兔子的心率减慢，并逐渐恢复正常

高质量心电信号的采集证明，镓铟合金传感器电极阵列在心血管疾病的诊断和治疗中具有巨大的应用前景孔德胜说，虽然牛蛙和兔子的心电图测试只持续了几个小时，但它们在术中监测方面显示出了一定的应用潜力未来可能会考虑在脑监护仪，心脏起搏器等长期植入设备中加入液态金属部件

但他不否认，要真正走向临床应用，还有很多问题需要解决，比如Ga—In合金传感器电极阵列的长期稳定性，与生物体的兼容性，大规模加工的潜在成本以及理想的应用场景等虽然从原材料到器件终端还有很长的路要走，但是液态金属研究和应用的大门正在慢慢打开孔德胜对未来充满希望

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