Science：体内直接合成导电聚合物及凝胶！
文章来源：高分子科学前沿 更新时间：2023-02-27 15:17:23
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神经系统是一个庞大而精密的系统，在生物的复杂功能中发挥着着重要作用。解开神经系统奥秘的一个方法，是将生物电子器件植入靠近神经元的组织中，不仅可以探测神经系统中的信号传递以研究神经元通讯，还有助于生物电治疗。
目前的生物电子植入器件大多数基于携带导电膜的固体基板，插入人体组织会引起炎症，这可能会损害植入器件的电性能，并破坏其与目标神经元的接触，影响生物电子器件的寿命、精度和整体保真度。
基于这一挑战，林雪平大学Xenofon Strakosas和Magnus Berggren团队开发了一种不使用基板的情况下直接在组织内部合成导电聚合物并凝胶化的方法，产生接近于无缝融合的生物-非生物界面，对组织造成的损害很小。相关成果以“Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics”发表于最新一期Science。
活组织内合成导电软聚合物
研究人员首先引入了一个复杂的前体系统，包括原位产生过氧化氢的氧化酶、催化氧化聚合的过氧化物酶、水溶性共轭单体、具有用于共价交联的抗衡离子的聚电解质，以及用于稳定的表面活性剂。氧化酶，可以分解目标组织中已经存在的代谢物，例如乳酸或葡萄糖等，并产生过氧化氢，然后作为酶聚合的氧化剂，由辣根过氧化物酶催化。该研究选择了一种带有功能基团的单体，当它聚合时，会与一种生物相容性聚合物--聚赖氨酸的伯胺发生反应。这些聚合物的交联合成了一种稳定且柔软的导电凝胶，而非脆性的导电膜。
活组织中的生物电子器件
凝胶电性能
该研究使用了带有双层聚氯代对二甲苯的金微电极阵列(MEAs)探究凝胶的电性能。导电凝胶的电性能高度依赖于凝胶配方。当ETE-NHS（ETE: 2,5-bis(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-5-yl)thiophene，NHS: N-hydroxysulfosuccinimide）浓度增加至 8 mg/mL时，电导率和电容均增加。由于可以在现有的凝胶配方上进行电化学掺杂，凝胶的最大电导率有待进一步提高。
凝胶电性能
体内聚合
在活体斑马鱼的大脑、鳍和心脏以及活体水蛭和分离的哺乳动物组织中，都进行了凝胶聚合实验，并证实了该方法的普遍适用性。在上述活体和组织中，导电凝胶的体积都超出了传统二维植入物的体积，并融入了组织中。值得注意的是，凝胶在活体斑马鱼的大脑中聚合三天后，鱼的行为没有表现出异常，注射部位也没有组织损伤的迹象。
斑马鱼的体内聚合
小结
该研究通过开发体内聚合物的途径，绕过了植入生物电子器件基板这一挑战。通过注射了一种混合物，能够在不同的组织环境中诱导聚合并凝胶化。在活体斑马鱼（大脑、鳍和心脏）、水蛭以及分离的哺乳动物组织中，实现了导电凝胶的组织内聚合，并通过水蛭证明了可通过该凝胶在体内刺激神经。这些体内形成的导电聚合物，有望打破电子学与生物学的壁垒，实现生物电子融合。 |
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