科學家們已經證明，神經傳導實際上是一種電化學的過程——神經纖維上順序發生的電化學變化，讓人類的“想法”變(bian)成(cheng)了(le)動(dong)作(zuo)
，讓(rang)大(da)腦(nao)能(neng)夠(gou)指(zhi)揮(hui)身(shen)體(ti)。那(na)麼(me)
，人(ren)類(lei)能(neng)不(bu)能(neng)模(mo)擬(ni)這(zhe)種(zhong)神(shen)經(jing)傳(chuan)導(dao)方(fang)式(shi)呢(ne)？這(zhe)種(zhong)嚐(chang)試(shi)一(yi)旦(dan)成(cheng)功(gong)
，不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)讓(rang)人(ren)們(men)更(geng)了(le)解(jie)生(sheng)命(ming)的(de)奧(ao)秘(mi)，更(geng)能(neng)治(zhi)愈(yu)多(duo)種(zhong)臨(lin)床(chuang)疾(ji)病(bing)。人(ren)們(men)一(yi)直(zhi)在(zai)努(nu)力(li)尋(xun)找(zhao)最(zui)合(he)適(shi)的(de)材(cai)料(liao)去(qu)製(zhi)造(zao)最(zui)貼(tie)近(jin)生(sheng)命(ming)方(fang)式(shi)的(de)“放電”“傳導”和“探測”器件——神經電極。液態金屬是一種新型材料，它的出現和不斷進展，給神經電極的製備和研究帶來新選擇。

1.神經電極材料的發展
，往往能夠帶動神經科學的進步

神經電極是一種探測神經信號的傳感器件
，不要小看這不起眼的電極，它的每一點改進都帶來了神經科學領域的巨大進步。

神經電極的曆史可以追溯到1786年nian，意yi大da利li科ke學xue家jia伽jia爾er伐fa尼ni在zai實shi驗yan室shi解jie剖pou青qing蛙wa時shi
，銅tong和he鋅xin做zuo成cheng的de金jin屬shu弓gong偶ou然ran碰peng到dao了le蛙wa腿tui神shen經jing
，在zai原yuan電dian池chi作zuo用yong下xia產chan生sheng的de電dian流liu竟jing然ran使shi蛙wa腿tui痙jing攣luan起qi來lai。如ru今jin看kan來lai，這zhe把ba金jin屬shu弓gong恐kong怕pa就jiu是shi人ren類lei最zui早zao的de神shen經jing電dian極ji雛chu形xing了le。

在(zai)接(jie)下(xia)來(lai)的(de)百(bai)餘(yu)年(nian)間(jian)
，科(ke)學(xue)家(jia)手(shou)工(gong)製(zhi)作(zuo)出(chu)各(ge)種(zhong)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)，這(zhe)些(xie)早(zao)期(qi)的(de)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)多(duo)采(cai)用(yong)一(yi)根(gen)細(xi)細(xi)的(de)金(jin)屬(shu)絲(si)外(wai)部(bu)包(bao)裹(guo)著(zhe)不(bu)導(dao)電(dian)的(de)塗(tu)層(ceng)，隻(zhi)在(zai)尖(jian)端(duan)露(lu)出(chu)一(yi)點(dian)金(jin)屬(shu)來(lai)探(tan)測(ce)神(shen)經(jing)信(xin)號(hao)。正(zheng)是(shi)依(yi)靠(kao)這(zhe)些(xie)略(lve)顯(xian)簡(jian)單(dan)的(de)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)，科(ke)學(xue)家(jia)們(men)揭(jie)開(kai)了(le)神(shen)經(jing)科(ke)學(xue)麵(mian)紗(sha)的(de)一(yi)角(jiao)，弄(nong)明(ming)白(bai)了(le)神(shen)經(jing)細(xi)胞(bao)內(nei)外(wai)有(you)電(dian)勢(shi)差(cha)
，能(neng)產(chan)生(sheng)動(dong)作(zuo)電(dian)位(wei)來(lai)傳(chuan)輸(shu)信(xin)息(xi)
，這(zhe)是(shi)神(shen)經(jing)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)思(si)考(kao)和(he)感(gan)覺(jiao)的(de)基(ji)礎(chu)。

但是當科學家們把目光轉移到單個神經細胞時卻遇到了難以克服的困難——金屬細絲電極的背景噪音過大
，無法探測到微弱的單個細胞信號。

一直到第二次世界大戰之後，一種意想不到的新材料——玻璃被應用到神經電極
，才極大減小了神經探測中的背景噪音。玻璃管電極發明的關鍵人物是一位年輕的中國留學生——淩寧。他和導師傑勒德一起開創性地把玻璃拉製成尖端僅有0.5微(wei)米(mi)的(de)毛(mao)細(xi)玻(bo)璃(li)管(guan)
，管(guan)內(nei)充(chong)入(ru)鹽(yan)溶(rong)液(ye)導(dao)電(dian)，玻(bo)璃(li)管(guan)後(hou)端(duan)有(you)金(jin)屬(shu)絲(si)浸(jin)入(ru)在(zai)鹽(yan)溶(rong)液(ye)中(zhong)並(bing)與(yu)外(wai)電(dian)路(lu)相(xiang)連(lian)，成(cheng)功(gong)地(di)探(tan)測(ce)到(dao)了(le)清(qing)晰(xi)的(de)單(dan)個(ge)細(xi)胞(bao)動(dong)作(zuo)電(dian)位(wei)信(xin)號(hao)。玻(bo)璃(li)管(guan)電(dian)極(ji)的(de)發(fa)明(ming)直(zhi)接(jie)催(cui)生(sheng)了(le)現(xian)代(dai)神(shen)經(jing)電(dian)生(sheng)理(li)學(xue)，細(xi)胞(bao)膜(mo)電(dian)位(wei)和(he)膜(mo)片(pian)鉗(qian)電(dian)極(ji)等(deng)幾(ji)項(xiang)獲(huo)得(de)諾(nuo)貝(bei)爾(er)獎(jiang)的(de)神(shen)經(jing)電(dian)生(sheng)理(li)學(xue)成(cheng)果(guo)都(dou)建(jian)立(li)在(zai)它(ta)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)。在(zai)玻(bo)璃(li)管(guan)電(dian)極(ji)的(de)幫(bang)助(zhu)下(xia)
，人(ren)類(lei)窺(kui)見(jian)了(le)神(shen)經(jing)細(xi)胞(bao)內(nei)部(bu)的(de)秘(mi)密(mi)
，探(tan)測(ce)到(dao)了(le)單(dan)個(ge)蛋(dan)白(bai)質(zhi)構(gou)成(cheng)的(de)離(li)子(zi)通(tong)道(dao)的(de)打(da)開(kai)和(he)關(guan)閉(bi)，理(li)解(jie)了(le)神(shen)經(jing)細(xi)胞(bao)之(zhi)間(jian)突(tu)觸(chu)連(lian)接(jie)的(de)細(xi)微(wei)工(gong)作(zuo)機(ji)製(zhi)。

隨sui著zhe神shen經jing研yan究jiu的de深shen入ru，科ke學xue家jia對dui神shen經jing細xi胞bao的de群qun體ti行xing為wei越yue來lai越yue感gan興xing趣qu，畢bi竟jing人ren的de大da腦nao是shi由you數shu量liang龐pang大da的de神shen經jing細xi胞bao構gou成cheng的de，這zhe就jiu需xu要yao有you通tong道dao數shu量liang足zu夠gou多duo的de神shen經jing電dian極ji來lai同tong時shi探tan測ce成cheng千qian上shang萬wan個ge神shen經jing細xi胞bao。20世紀60年代出現了基於半導體材料的集成電路技術，使得在很小的麵積裏能夠容納很多通道的神經電極，這就是集成式的神經電極陣列。

現在被廣泛應用的各種多通道神經電極陣列基本上都是集成式神經電極，例如基於矽材料的密歇根電極、猶他電極和神經像素電極（Neuropixels）等。它們被植入大腦和神經係統，使科學家能夠同時獲取成百上千個神經細胞的信號
，幫助人類破解大腦思維的秘密
；也能將編碼的電信號發送給神經網絡
，治療神經損傷和疾病，甚至替代增強神經功能。

2.液態金屬讓解決神經電極的生物相容性和工作持久性問題看到曙光

回顧近兩百年來神經電極的發展曆程，從金屬弓
、金屬絲、玻bo璃li到dao半ban導dao體ti材cai料liao，材cai料liao的de更geng新xin換huan代dai推tui動dong著zhe神shen經jing電dian極ji的de進jin步bu。現xian代dai的de神shen經jing科ke學xue對dui神shen經jing電dian極ji提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu，不bu僅jin需xu要yao在zai背bei景jing噪zao音yin和he通tong道dao數shu量liang等deng方fang麵mian繼ji續xu提ti升sheng，也ye更geng注zhu重zhong生sheng物wu相xiang容rong性xing和he在zai體ti工gong作zuo持chi久jiu性xing等deng方fang麵mian的de性xing能neng。

yizhiyilai

，rangshenjingkexuejiamengandaokunaodeshi，wulunshenjingkexueyanjiuhaishishenjingjibingdezhiliaodouxuyaoshenjingdianjijinkenengchangqididaizaishengwutinei
，danzheduishenjingdianjilaishuoshiyijianfeichangkunnandeshiqing。jiyuboli、矽和固體金屬材料的神經電極大都非常堅硬，和生物體神經組織的柔軟和彈性難以匹配。一方麵，堅硬的神經電極很容易碰傷神經細胞；另一方麵，生物體的排異反應會生長出疤痕組織包裹電極，阻礙電極與神經細胞的連接。

近年來，科學家嚐試使用各種柔性的材料來製作電極
，以便減小神經電極的組織傷害
，延長神經電極的工作壽命。

對於外周神經電極來說，對材料的柔性和彈性的要求就更高了——外周神經電極能夠與生物外周神經束形成連接，獲取神經信號或對神經進行刺激，廣泛應用於神經科學研究、神經疾病治療、神(shen)經(jing)假(jia)體(ti)和(he)神(shen)經(jing)接(jie)口(kou)等(deng)領(ling)域(yu)。外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)每(mei)天(tian)都(dou)會(hui)隨(sui)著(zhe)身(shen)體(ti)的(de)日(ri)常(chang)運(yun)動(dong)而(er)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)伸(shen)縮(suo)扭(niu)曲(qu)變(bian)形(xing)，理(li)想(xiang)的(de)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)也(ye)應(ying)該(gai)具(ju)有(you)像(xiang)人(ren)體(ti)神(shen)經(jing)一(yi)樣(yang)優(you)異(yi)的(de)柔(rou)性(xing)和(he)彈(dan)性(xing)，才(cai)能(neng)跟(gen)隨(sui)身(shen)體(ti)運(yun)動(dong)而(er)始(shi)終(zhong)穩(wen)定(ding)無(wu)損(sun)地(di)工(gong)作(zuo)。但(dan)是(shi)現(xian)有(you)的(de)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)還(hai)無(wu)法(fa)達(da)到(dao)這(zhe)麼(me)高(gao)的(de)柔(rou)性(xing)和(he)彈(dan)性(xing)要(yao)求(qiu)。采(cai)用(yong)鉑(bo)、銥、鈦、鎢等固態金屬材料製備的外周神經電極很難進行大幅度的伸縮變形
，這阻礙了外周神經電極的長期科學研究和臨床醫療應用。

為了解決這些問題，科學家們把目光投向了液態金屬。

液態金屬，顧名思義
，指的是在室溫附近呈液態的金屬，也稱低熔點金屬，如镓基、鉍基金屬及其合金。此類材料因安全無毒，性能卓越獨特，正成為異軍突起的革命性材料。其他如汞、銫、鈉鉀合金等雖在常溫下也處於液態，但因毒性、放射性及危險性等因素
，在應用上受到很大限製。

镓的熔點很低且沸點很高（達2204℃），在空氣中比較穩定，蒸汽壓也很低。基於镓的金屬合金材料
，如镓銦合金

、镓銦錫合金等
，熔點比單一成分的金屬單質更低，因而可配得室溫下呈液態的金屬合金。最常使用的是EGaIn（镓銦合金）和Galinstan（镓銦錫合金），EGaIn的配比為镓75.5%、銦24.5%（重量比）
，熔點為15.5℃；Galinstan則由68.5%的镓
、21.5%銦和10.0%的錫構成，熔點為10.5℃。

镓早在100多年前就被發現，以往主要以化合物方式得到應用，如氮化镓、砷化镓
、磷化镓等，均是經典的半導體材料。镓基液態金屬材料真正的普及化研究和應用大概是近20niandeshi，deyiyuguoneiwaixuezhetebieshizhongguokexuejiatuanduizaijichutansuoyugongyehuashijianfangmiandedaliangkaichuangxingnulihetuidong
，yetaijinshudejichuyuyingyongyanjiuyicongzuichudelengmen，fazhanchengdangqianbeishouguojiguangfanzhumudezhongdakejiqianyanheredian，zainengyuan、電子
、先進製造
、生命健康以及柔性智能機器等領域產生了廣泛的影響。

例如
，將液態金屬作為流體散熱介質，其換熱係數遠高於現有液冷技術

；通過液態金屬印刷電子技術可以實現柔性電路的製備；液態金屬3D打印技術可以實現各種電子電路功能器件的快速成型


；基於液態金屬材料的柔性傳感器和可穿戴設備已經實現了人體脈搏波動、呼吸狀態等信息的實時監測
；液態金屬可以容易地實現固態和液態的轉變，基於此理念設計的液態金屬外骨骼夾具已經得到了臨床應用。

3.在液態金屬神經電極的研究中
，中國科學家已經走到國際前沿

近(jin)日(ri)
，中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)理(li)化(hua)技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)所(suo)和(he)北(bei)京(jing)理(li)工(gong)大(da)學(xue)的(de)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)將(jiang)液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)引(yin)入(ru)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)製(zhi)造(zao)領(ling)域(yu)
，使(shi)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)的(de)柔(rou)性(xing)和(he)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)取(qu)得(de)了(le)突(tu)破(po)性(xing)的(de)提(ti)高(gao)
，初(chu)步(bu)顯(xian)示(shi)了(le)液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)在(zai)探(tan)測(ce)、增強甚至替代生物外周神經功能領域的巨大潛力。

液態金屬材料兼具流體的流動性和金屬的導電性，與其他柔性的絕緣材料如矽橡膠結合
，可以用來製作柔性、可拉伸的外周神經電極。zhongguokexuejiamenyongjiayinxihejinherentiguijiaocailiaozhibeideyetaijinshuwaizhoushenjingdianjijuyoulianghaodekelashenxinghekeniuzhuanxing

，qidanxingmoliangjinweibodeshiwanfendaobaiwanfenzhiyi、yuguixiangjiaojiyixiedianxingderouxingshengwuzuzhirugugejihepifuxiangjin，zhejiangyouzhuyujianshaodianjizhiruhouduishengwuzuzhizaochengdejixiesunshang。yetaijinshuwaizhoushenjingdianjihaijubeilianghaodedaodianxing，qidiandaolvyuanyuangaoyudaodianshuiningjiao、離子液體和導電聚合物PEDOT:PSS
，bingyubochuyutongyishuliangji。youyuyetaijinshujuyoushiwenyetaidetexing
，zailashenhouyenengbaochichusededaodianxing，zheshibodenggangxingdianjisuobujubeideyoushi
，youcizhichengdeyetaijinshuwaizhoushenjingdianjinenggoushiyingshengwutidefanfulashenhuoniuqudengzitaibianhua，tongshirengnengbaochigaoxinzaobishenjingxinhaodewendingyouxiaoshuangxiangchuanshu。

液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)在(zai)動(dong)物(wu)實(shi)驗(yan)中(zhong)取(qu)得(de)了(le)良(liang)好(hao)的(de)效(xiao)果(guo)。實(shi)驗(yan)中(zhong)，科(ke)學(xue)家(jia)們(men)將(jiang)液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)植(zhi)入(ru)到(dao)大(da)鼠(shu)體(ti)內(nei)，在(zai)體(ti)植(zhi)入(ru)的(de)電(dian)極(ji)不(bu)僅(jin)經(jing)受(shou)了(le)大(da)鼠(shu)自(zi)由(you)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)反(fan)複(fu)拉(la)伸(shen)
，還(hai)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)了(le)運(yun)動(dong)和(he)感(gan)覺(jiao)神(shen)經(jing)信(xin)息(xi)在(zai)電(dian)極(ji)內(nei)雙(shuang)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)的(de)能(neng)力(li)。液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)同(tong)步(bu)采(cai)集(ji)大(da)鼠(shu)在(zai)跑(pao)台(tai)上(shang)模(mo)擬(ni)人(ren)類(lei)行(xing)走(zou)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)坐(zuo)骨(gu)神(shen)經(jing)信(xin)號(hao)
，還(hai)成(cheng)功(gong)地(di)把(ba)模(mo)擬(ni)神(shen)經(jing)脈(mai)衝(chong)電(dian)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)給(gei)自(zi)由(you)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)大(da)鼠(shu)坐(zuo)骨(gu)神(shen)經(jing)
，在(zai)大(da)鼠(shu)的(de)軀(qu)體(ti)感(gan)覺(jiao)腦(nao)區(qu)誘(you)發(fa)出(chu)刺(ci)激(ji)事(shi)件(jian)相(xiang)關(guan)腦(nao)電(dian)位(wei)，液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)從(cong)坐(zuo)骨(gu)神(shen)經(jing)本(ben)身(shen)也(ye)記(ji)錄(lu)到(dao)刺(ci)激(ji)誘(you)發(fa)的(de)大(da)量(liang)神(shen)經(jing)場(chang)電(dian)位(wei)和(he)動(dong)作(zuo)電(dian)位(wei)。以(yi)上(shang)在(zai)生(sheng)物(wu)體(ti)內(nei)外(wai)的(de)實(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，液(ye)態(tai)金(jin)屬(shu)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)不(bu)僅(jin)具(ju)備(bei)媲(pi)美(mei)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)的(de)柔(rou)性(xing)和(he)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)實(shi)現(xian)了(le)運(yun)動(dong)和(he)感(gan)覺(jiao)神(shen)經(jing)信(xin)號(hao)的(de)長(chang)期(qi)雙(shuang)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)，顯(xian)示(shi)了(le)其(qi)成(cheng)為(wei)人(ren)工(gong)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)並(bing)替(ti)代(dai)生(sheng)物(wu)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)功(gong)能(neng)的(de)潛(qian)力(li)。

應該說，液態金屬外周神經電極具有廣泛的應用前景，可以作為外周神經的接口器件，在神經科學、神經疾病和腦機接口等領域發揮著重要作用。未來
，液態金屬外周神經電極可以作為神經疾病監測設備的傳感器、疾病幹預設備的刺激器、腦機接口設備的信息傳遞媒介
，甚至作為人工外周神經假體對損傷的外周神經組織進行修複、替(ti)代(dai)或(huo)增(zeng)強(qiang)。具(ju)有(you)良(liang)好(hao)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)和(he)柔(rou)性(xing)的(de)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)能(neng)夠(gou)減(jian)少(shao)組(zu)織(zhi)損(sun)傷(shang)和(he)延(yan)長(chang)電(dian)極(ji)長(chang)期(qi)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)，使(shi)外(wai)周(zhou)神(shen)經(jing)電(dian)極(ji)跨(kua)入(ru)未(wei)來(lai)廣(guang)闊(kuo)的(de)應(ying)用(yong)發(fa)展(zhan)空(kong)間(jian)
，推(tui)動(dong)神(shen)經(jing)疾(ji)病(bing)治(zhi)療(liao)（如神經麻痹

、癲癇

、帕金森氏綜合征及脊髓損傷）
、神經假體（如人工神經束
、人工脊髓）、神經接口（如癱瘓病人神經操控設備、與神經係統連接的假肢）等多領域的技術進步。

（作者：李雷、湯戎昱，分別係中國科學院理化技術研究所副研究員
，北京理工大學副研究員）