心血管疾病是全球主要的公共健康问题，心律异常如心房颤动、心动过缓等异常心律都可能导致严重后果，甚至猝死。目前，心电图（ECG）是监测心脏电活动的标准方法，它通过皮肤表面的电极记录心脏电信号的变化。然而，传统的表面电极（如Ag/AgCl电极）因依赖胶水固定，主要适合短期监测，长期使用可能引发皮肤刺激，并因电极脱落等问题导致信号不稳定。目前，已有研究尝试开发更适合长期监测的植入式设备，但刚性材料或者高弹性聚合物制备的电极与人体组织存在模量不匹配的问题，容易引发炎症反应。因此，长期稳定且舒适的心电监测成为亟待解决的问题。近日，韩国首尔延世大学Jang-Ung Park教授团队提出了一种三维液态金属柔性电极，采用镓铟合金（液态金属）为主体材料，并辅以生物兼容的聚对二甲苯（Parylene-C）包覆层。电极尖端镀有铂纳米簇，以增强导电性并降低电极阻抗。在植入前，使用液氮将电极快速冷冻至硬质状态，便于植入生物组织后恢复柔软性，减少植入过程中的组织损伤。该电极系统结合Wi-Fi通信模块，实现了长达30天的无线心电监测，并且能够在运动状态下保持高质量信号传输并适应皮肤形变，避免信号中断。此外，通过实验对诱发心动过缓的兔子进行电刺激，成功使其恢复正常心率，展示该三维电极在心律失常治疗中的应用潜力。相关研究成果以“Three-Dimensional Electrodes of Liquid Metals for Long-Term, Wireless Cardiac Analysis and Modulation“为题发表在ACS Nano.图 1. 三维液态金属电极的制备与表征 (a) 三维液态金属电极的制备示意图，展示了液态金属微柱的形成过程。(b) 单个三维液态金属电极的结构示意图。(c) 电极阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了微柱结构的排列，比例尺为500 μm。(d) 电极尖端铂纳米簇的SEM图像，比例尺为1 μm。(e) 电极在1 kHz频率下的阻抗变化，随着电镀时间的不同而变化。(f) 三维液态金属电极在不同拉伸应力下的片电阻变化，显示了其在不同方向上的应变适应性。(g) 电极在反复拉伸和恢复过程中的阻抗变化，展示了其在多次断开与恢复循环下的电阻稳定性。(h), (i) 将三维液态金属电极转移至手部表面的照片，比例尺为1 cm。图 2. 三维液态金属电极的植入实验(a) 不同材料的弹性模量对比，包括金属、导电聚合物、液态金属和生物组织。(b), (c) 冷冻前后液态金属电极的SEM图像，展示了冷冻过程对结构的影响，比例尺为100 μm。(d) 电极尖端在冷冻前后的SEM放大图像，比例尺为1 μm。(e) 大鼠实验示意图，展示了液态金属电极在大鼠心脏中的定位，比例尺为2 mm。(f) 包含电极的大鼠心脏的微CT成像图，比例尺为2 mm。(g) 微CT的三维重建图，展示了电极在心脏中的精确定位。(h), (i) 注射液态金属电极后兔子心脏组织的共聚焦显微镜图像，比例尺为300 μm。(j), (k) 传统H&E染色显示的兔子心脏切片图像，比例尺为200 μm。图 3. 大鼠体内实验(a) 大鼠无线ECG测量系统的示意图。(b) 示意图展示了液态金属电极在大鼠心房和心室的具体位置。(c) 心脏信号传导路径的示意图。(d) 不同心房和心室的单个ECG波峰记录。(e) 在2毫秒间隔下，每个心房和心室的电信号时空分布图。(f), (g) 大鼠心脏植入液态金属电极后的ECG信号追踪，分别展示了植入即刻与30天后的信号情况。(h) 比较每个心腔室在第0天和第30天的信噪比（SNR）值。图 4. 兔子体内实验 (a) 在兔子心脏的四个心腔室（RA, RV, LA, LV）中植入液态金属电极的示意图。(b) 转移至兔子心脏的三维液态金属电极照片，比例尺为5 mm。(c) 3D液态金属电极和表面电极在每个心腔的个别ECG波形，黑色箭头标记P波。(d) 不同心腔中3D液态金属电极与表面电极的信噪比（SNR）比较。(e) 使用液态金属电极对心动过缓进行诊断和治疗的示意图，虚线三角形表示电刺激脉冲。图 5. 人体皮肤上的ECG测量 (a) 注射至皮肤内的三维液态金属电极示意图，穿透角质层。(b) 注射后的液态金属电极在皮肤内的放大示意图。(c) 商用Ag/AgCl表面电极在皮肤上的照片（第0天和第7天），比例尺为500 μm。(d) 3D液态金属电极在皮肤上的照片（第0天和第7天），比例尺为500 μm。(e–g) 商用表面电极在第0天、第7天和第10天的ECG幅值图。(h–j) 3D液态金属电极在第0天、第7天和第10天的ECG幅值图。图 6. 人体无线ECG监测实验 (a) 无线ECG监测系统的示意图，由两个液态金属电极、集成电路和电池组成。(b) 无线ECG监测系统固定在左臂上的照片，比例尺为3 cm。(c) 人体受试者在运动中的照片，展示无线ECG监测系统的贴合情况，比例尺为20 cm。(d) 运动前后，商用表面电极与3D液态金属电极在静息状态下和运动后的ECG幅值比较。(e) 受试者举起手臂时的照片，展示无线监测系统，比例尺为20 cm。(f) 3D液态金属电极在静止与举臂活动时的实时ECG信号图。(g) SNR（蓝色三角形）和心率（绿色圆点）变化图，基于ECG数据的计算结果。原文连接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06607
