Science：脑内“长”出电极- 大数跨境

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2023-03-17

导读：瑞典林雪平大学Xenofon Strakosas和Magnus Berggren等研究者在Science 杂志发表论文，报道了在生物体内动态构建柔性无基底导电材料的新方法。

把人与电脑在物理层面上连接起来，是科幻影视剧里的常见套路。无论是《黑客帝国》里的插入式脑机接口，还是《边缘世界》里的头戴式装置，看上去都是那么“硬核”。不知大家怎么看，笔者总觉得这类装置的使用体验绝对不会太愉快。现实世界中，科学家们也总想把电极插入到生物的神经组织，这的确是探索神经系统复杂电信号最直接的方法。然而，传统电极多为刚性材料，与柔软湿润的生物组织不兼容。尽管已有一些关于生物电子器件植入动物体内的报道，但植入部位周围一般会形成瘢痕组织，仅仅是将这类电极贴在皮肤上，也会经常因为透气性不好，导致皮肤瘙痒、红肿（别问曾做过实验志愿者的笔者是怎么知道的……）。这些问题既不利于生物体自身免疫系统，也影响了电子接口的寿命和信号的精度。

连接周围神经的电极分类及电子设备应用示意图。图片来源：Int. Rev. Neurobiol. ^[1]

近日，瑞典林雪平大学Xenofon Strakosas和Magnus Berggren等研究者在Science 杂志发表论文，报道了在生物体内动态构建柔性无基底导电材料的新方法。他们设计了一种可注射凝胶前体体系，注入生物组织内部后，内源性代谢物触发凝胶中前体的酶聚合，形成具有远距离导电性的导电聚合物凝胶，产生接近于无缝融合的生物-非生物界面。制成的电极几乎不会对生物体组织造成伤害，其电学性质在斑马鱼大脑、鱼鳍和心脏部位以及水蛭神经组织中都得到了验证。

活斑马鱼尾鳍中形成的导电聚合物凝胶（蓝色）。图片来源：Science

早在2017年，该课题组就在PNAS 杂志上报道了如何利用植物体中自带的内源性酶催化生物相容性的有机单体——ETE-S分子（下图），完成氧化聚合的过程 ^[2]。反应机理是过氧化物酶利用局部产生的H₂O₂作为催化剂产生自由基单体，自由基单体进一步聚合，形成导电聚合物凝胶。

ETE-S在玫瑰中聚合。图片来源：PNAS ^[2]

与植物不同，动物体内神经组织的环境不能有效催化ETE-S聚合。为了克服这一限制，研究者设计了新的ETE分子衍生物——ETE-COONa作为单体，并配制了一种复杂的凝胶前体体系，包括可利用动物内源代谢物（葡萄糖或乳酸）原位生成H₂O₂的氧化酶ROx（葡萄糖氧化酶GOx或乳酸氧化酶LOx）、利用原位产生的H₂O₂催化氧化聚合的过氧化物酶（辣根过氧化物酶HRP）、用于共价交联的抗衡离子聚电解质和用于稳定体系的表面活性剂。将该凝胶前体体系注入动物组织后，可以与动物内源代谢物（葡萄糖或乳酸）反应，原位聚合并凝胶化形成稳定的pETE-PLL导电聚合物凝胶电极（如下图）。

内源代谢物诱导导电聚合物凝胶的体内聚合。图片来源：Science

在体外实验中，研究者将凝胶前体滴在金电极阵列上，加入5 mM葡萄糖后，凝胶聚合。当ETE-NHS浓度增加到8 mg ml⁻¹时，聚合物凝胶的电导率（σ = 0.25 S cm⁻¹）和比电容（C_v= 25 F cm⁻³）达到最大值。该导电凝胶具有良好的稳定性，经超声处理、1000次循环伏安法测试或72小时细胞繁殖后，电学特性几乎均未发生任何变化。

导电凝胶的电学性质。图片来源：Science

此外，导电凝胶具有良好的生物相容性。只有ETE-NHS+LOx酶的对照组中，由于代谢物不断转化，产生大量的H₂O₂不能继续反应，才会产生细胞毒性。加入HRP后（HRP : LOx = 27:1），H₂O₂分解，细胞的生存能力甚至比空白对照组略有提高。

细胞中生物相容性。图片来源：Science

生物实验中，凝胶前体被注射到麻醉的活斑马鱼尾鳍、大脑和心脏内，葡萄糖和乳酸均可以触发体内原位聚合，且与乳酸相比，葡萄糖诱导的聚合总体较慢。基于良好的生物相容性，斑马鱼在水中继续生活72小时，未观察到死亡或其他变化。解剖并提取大脑和心脏，可以观察到深蓝色聚合物，施加−0.5~0.5 V之间的电压时，显示出线性的欧姆电流。

斑马鱼体内实验。图片来源：Science

类似地，以水蛭为实验对象，导电凝胶原位聚合，并包裹在神经系统周围。利用电化学阻抗法（EIS）测量水蛭肌肉中的Au电极，阻抗的降低也验证了导电聚合物的形成。通过施加电流脉冲信号刺激，可成功引发肌肉运动，响应频率为50~60%。

导电凝胶在水蛭神经系统周围原位聚合及电学性质。图片来源：Science

该工作为神经系统上电子器件的制造和体内集成提供了新的可能。“我们正在用这些材料进行大量实验，在细胞周围生长电极及电子器件”，Magnus Berggren说，“尽管柔性可弯曲电极方面取得不少进展，但很难以非侵入方式将它们植入生物体内” ^[3]。沙特阿卜杜拉国王科技大学的Sahika Inal评论说，“我认为这项技术正在提供另一种思维方式，与其将器件做成柔性的，不如干脆放弃这个想法，直接让它在细胞中长出来。当然，他们还需要进行更长期的研究” ^[3]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics

Xenofon Strakosas, Hanne Biesmans, Tobias Abrahamsson, Karin Hellman, Malin Silverå Ejneby, Mary J. Donahue, Peter Ekström, Fredrik Ek, Marios Savvakis, Martin Hjort, David Bliman, Mathieu Linares, Caroline Lindholm, Eleni Stavrinidou, Jennifer Y. Gerasimov, Daniel T. Simon, Roger Olsson, Magnus Berggren

Science, 2023, 379, 795-802, DOI: 10.1126/science.adc9998

参考文献：

[1] J. Valle & X. Navarro, Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. Int. Rev. Neurobiol. 2013, 109, 63-83. DOI: 10.1016/B978-0-12-420045-6.00002-X

[2] E. Stavrinidou, et al., In vivo polymerization and manufacturing of wires and supercapacitors in plants. PNAS 2017, 114, 2807-2812. DOI: 10.1073/pnas.1616456114

[3] Electrodes build themselves inside the bodies of live fish. Nature 2023, 615, 19, DOI: 10.1038/d41586-023-00544-w

（本文由小希供稿）

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