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基于液态金属的新型磁响应生物电极材料[转载]
作者:X-MOL 发表时间:2018-07-26 阅读次数:198

        生物电极在前沿生物医学和可穿戴设备中应用广泛,其中可植入电极被视为未来生物治疗和肌体监测中必不可少的元器件。在可植入电极材料的开发中,最具挑战的难点之一在于——生物体及其内部体细胞都是柔性的,而大多数包括电极和材料在内的电子器件都是刚性的,在监测中枢神经电流、心脏电流时,植入大脑或心脏的电极可能损坏神经或心脏组织。因此,与神经或体细胞接触的电极需要像这些生物器官一样柔软,这是生物电极应用需要解决的重要问题。而对于复杂的和动态的生物体系来说,柔软的电极材料还不能满足所有的功能需求,更为理想的情况是电极材料的机械属性能够自由切换,在实现功能化的同时适配相应生物机体的机械要求。比如,现在被用于巴金森氏病、中风及脊髓损伤治疗的穿刺电极,需要克服脑膜的阻力植入脑部或脊髓,但是这种治疗随着机体在坚硬的移植物周围生成了疤痕组织之后而降低了其疗效。鉴于此,设计和开发能够“智能”调节自身机械属性的生物电极材料,成为极具吸引力同时极具挑战性的研究课题。
       刺激响应性材料是一类具有“智能”行为的材料,可以对外部环境的影响,如磁、光、热、湿度等产生相应的响应信号,如机械性能、电子性能、以及其他物理化学性质的变化,其构造出的可控元器件在生物医学、信息技术、传感器等领域中有着广泛的应用前景。最近,澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)和北京航空航天大学的联合研究团队在北航-伍伦贡联合研究中心的支持下合作开发了一种基于液态金属的新型磁响应生物电极材料。

Figure 1. a) Schematic illustration and photographs demonstrating the preparation of liquid metal-based magnetoactive slurry (LMMS). The liquid galinstan becomes slurry-like and muddy after mixing with the Fe particles in the HCl solution. The viscosity of the LMMS sample clearly increases, and it can be molded into different shapes. b) In addition to the viscosity that appears after suspending Fe in the liquid metal, the stiffness of the LMMS sample could be further enhanced by applying an external magnetic field. The cylinder molded under the field from a permanent magnet shows no deformation with a 50 g weight on the top. The high cylinder toppled over immediately, however, after the magnet was removed.

         该液态金属磁响应材料是将磁性铁颗粒均匀分散于镓铟锡液态金属中,形成一种独特的固液混合软物质材料。通过成分与微结构分析,研究者发现当铁颗粒与镓系液态金属接触时,镓原子将会扩散进入铁中,虽然这个过程在室温下发生比较缓慢,但仍会在固液界面形成合金层,使得固体铁颗粒很好的融合入液态母体中。而得益于母体材料液态金属在室温下优异的液态流动属性,被包含其中的磁性微纳颗粒能够在液态金属内部自由移动并影响流体的粘度,形成一种特殊的固态金属-液态金属悬浮液,类似于日常生活中“泥浆”状形态。更为有趣的是,这种泥浆在外加磁场的作用下,内部的铁颗粒会产生很强的磁偶极相互作用力,形成的链状结构会大幅增加流体的黏度,使其由流体变为“固体”,当外磁场去掉之后,该材料会迅速地从“固体”状态恢复为流体状态,并且该变化过程是可逆的。

Figure 2. a) Variation of storage modulus (G´) and complex viscosity for the LMMS samples containing different molar fractions of Fe. b) Magnetic field dependence of the storage modulus (G´) and complex viscosity at 0.2% strain amplitude for the sample containing a 30% molar fraction of Fe (LMMS-L30%). The magnetization curves of pure liquid metal, pure Fe, and LMMS-L30% are shown in the inset. c) Schematic illustration of the movement of Fe particles in LMMS samples with and without magnetic field applied. Chains of Fe particles are proposed to be formed under the alignment force of magnetic field, similar to the behavior of other magnetorheological fluids. d) Variation of stress induced at different strains for the LMMS-L50% sample with and without magnetic field applied.

         这种新型功能材料不仅能够感知外界磁场变化,还能做出相应的响应,研究者通过调节外界磁场强度还能达到智能控制该种材料力学性质的目的。结合液态金属母体良好的导电性,他们将该种材料组装成一种磁场响应的智能生物电极。在外界磁场足够强时,该电极材料可承受高达GPa的压力,可以用作“硬”的生物穿刺电极,穿透过杨氏模量在MPa级别的脑膜等类似屏障,进入体内与神经细胞接触并进行电信号的联接。完成穿刺这一功能之后,植入电极的功能将集中于电信号的传递,此时通过撤去磁场可使得电极恢复柔软的属性,避免因为电极和与之接触的体细胞机械强度差异过大,导致体细胞在电极传递电信号的过程受到创伤。除了电极功能可以智能切换之外,另一方面,通过改变外界磁场,该电极的力学性能将得以调节,从而可以作为灵敏度可调节的智能压力传感电极。生物体各部分的力学性质不同,使得其对外界压力的反馈也各有不同,所以对可穿戴或者植入电极的灵敏度要求也就各不一样。本工作开发的这种智能电极,便可以通过调节外界磁场,达到调控力-电响应灵敏度的目的,成为一种不直接接触和改造电极的智能调控策略。
         这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是伍伦贡大学的博士研究生任龙(Long Ren)和研究员孙帅帅(Shuai-shuai Sun),通讯作者为徐迅(Xun Xu)和杜轶(Yi Du)。
         该论文作者为:Long Ren, Shuai-shuai Sun, Gilberto Casillas-Garcia, Mitchell Nancarrow, Germanas Peleckis, Mirzat Turdy, Kunrong Du, Xun Xu,* Weihua Li, Lei Jiang, Shi Xue Dou, and Yi Du*

原文链接:A Liquid-Metal–Based Magnetoactive Slurry for Stimuli-Responsive Mechanically Adaptive Electrodes. Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802595
导师介绍:
徐迅:http://www.x-mol.com/university/faculty/49750
杜轶:http://www.x-mol.com/university/faculty/40480

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