生物皮表液态金属的电场触发变形效应

作为生理测量或者电刺激治疗的电子元件应用时，液态金属在皮肤上的电学性能会表现出某些非常规的行为。生理学上，皮肤本身也是一个兼具有电阻和电容特性的导体，液态金属和皮肤将会构成一个十分复杂的电化学系统，所以液态金属和皮肤构成的电路系统和绝缘体上液态金属构成的电路系统是有很大差别的。Guo等在实验中偶然发现了一组不同于常规情形的皮表液态金属电极变形与重构效应［11］。实验观察到，涂敷于离体组织皮肤表面的电极图案，会在一定外电场的诱导作用下出现变形和自重构现象（图15.17），这会对相应的医学监测与治疗带来不便。不过，有趣的是，这一重构效应在活体组织皮肤表面却微弱许多，因而并不影响相应的生物医学应用。造成离体与在体效应存在差异的原因来自组织内血液输运及活体细胞电学传递能力的显著不同。这类液态金属自重构效应，可用于构筑体表电学开关。

图15.17　电刺激下，离体（左上）与活体裸鼠（左下）皮表液态金属电极的变形重构现象及机理［11］

研究表明，当外部电场施加到皮肤上的液态金属电子元件时，液态金属会在不同形态之间转换。一种情况是液态金属会从一个不同形状的液态金属薄膜转变成一个个小球体。另一种情况是液态金属扁平电极在施加电场后收缩成球形。为了全面理解该实验现象，研究小组从液态金属电极的大小、厚度、施加电压大小、施加电压方向的等相关因素对液态金属电诱导重组效应进行了实验，发现在体和离体皮肤组织两种情况下的结果有很大不同。(www.xing528.com)

在相应研究中，将液态金属EGaIn作为实验材料，采用猪皮作为离体实验对象，而在体实验则选用八周龄雄性裸小鼠CD-1 NU的皮肤作为研究对象。利用喷印法在皮肤上制备液态金属薄膜电极，使用掩膜板在皮肤上制作出薄膜电极，然后利用注射器加厚薄膜电极，使其形成具有一定厚度的扁平电极。实验制作了四种不同形状（三角形、圆形、正方形和六角形）的扁平电极，为了进行对比实验，每种形状的电极制作了四个，其中两个采用不同的电场进行实验，其他两个作为比较。通过实验可以比较评价形状因子对液态金属电极的重组行为的影响。每个形状的电极的实验过程分为5帧。在每一帧的分别记录每种形状电极横截面积的变化与原始横截面积之比。利用数显直流稳压电源，对后2对电极施加5V电压。可以看出，方形电极在整个收缩过程中都是收缩面积变化比都是在减少。六角电极的收缩速度交替增大或减小，从上面的结构可以看出，液态金属的收缩速度没有呈很强的规律性，这是主要因为皮肤表面的凸凹不平而产生的摩擦力决定，但是发现不同形状的电极对收缩速度的影响还是较大的。

为了观测液态金属受电场作用时在体内皮肤上和离体猪皮的收缩现象差异，实验采用裸鼠作为实验对象。考虑到本实验需要施加较大电压，所以采用年龄偏大、生命力旺盛的裸鼠，所以裸鼠购入后先饲养了8周。实验前先配制麻醉剂，即质量分数为1%的戊巴比妥钠溶液。然后按照50 mg/kg（小鼠体重）的剂量将麻醉剂注射入八周龄的雄性裸鼠CD-1 NU腹腔内，将裸鼠基本上全身麻醉。采用液态金属喷印法在裸鼠皮肤上喷涂了外接圆直径为5 mm的三角形电极。如图15.17所示，液态金属电极喷印在裸鼠的腰部区域。在印刷液态金属电极上通过数显直流稳压电压施加5V电压对裸鼠皮肤持续30 s，令人惊讶的是，液态金属的收缩现象并不明显，继续加长时间到10 min，收缩现象仍然不是很明显。但当电压施加到10 V后，液态金属收缩现象发生，如图15.17所示。然而，液态金属的收缩速度远远低于在体外猪皮的情况。

通过上面的一系列实验现象［11］，可以看出，皮肤上外加电场可引起液态金属电极发生收缩形变。而且活体皮肤和离体皮肤的收缩情况有所不同。在实验中如果将所加电极的正负两极对调，即将电源正极加在液态金属电极上，电源负极加在皮肤上（不与液态金属机器接触），发现液态金属电极无收缩形变现象。由此可以看出，电场方向决定液态金属电极能否收缩。此外我们知道皮肤组织同时具有电介质和导体的双重性质，所以皮肤组织和液态金属将会形成一个电化学系统。在一定电压作用下，皮肤上电源正负极处液态金属EGaIn会发生氧化还原反应。表面氧化膜一经形成，会阻止内部液态金属被氧化，进而会阻止氧化膜厚度进一步的增加。表面金属氧化膜的存在会使液态金属产生一定的刚性，故液态金属可保持一定的形状。