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来源：研之成理收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans通讯作者：Xenofon Strakosas、Magnus Berggren将神经组织与先进的数字和电子仪器连接是探索神经系统复杂信号特征的一种方法，但传统的生物电子学由与生命系统根本不兼容的刚性电极组成。静态固态电子学与动态生物物质的差异使得两者的无缝集成具有挑战性。1.为了解决这种不相容性，本工作开发了一种在生物环境中动态创建无基底软导电材料的方法，该方法可以在外周神经系统(PNS)和中枢神经系统(CNS)中产生自组织、高性能电极结构，适用于广泛的组织和动物模型。2.本工作在斑马鱼和水蛭模型中展示了体内电极形成，利用内源性代谢物在可注射凝胶中触发有机前体的酶促聚合，从而形成具有长程导电性的导电聚合物凝胶。3.这种方法可用于靶向特定的生物亚结构，适用于神经刺激，为神经系统内完全集成的、体内制造的电子学铺平了道路。▲图1. 内源性代谢产物诱导的导电聚合物凝胶的体内聚合1、本工作设计了一种策略，在各种组织和动物模型中聚合ETE类似物。该概念允许氧化酶酶局部产生H2O2，随后过氧化物酶酶催化ETE衍生物聚合。在组织中引入酶，其中普遍存在于神经组织中的内源性代谢物推动酶促聚合级联反应。为了提高导电聚合物的稳定性，本工作使用含有ETE-COONa (而不是ETE-S)、氧化酶[ROx:葡萄糖氧化酶(GOx)或乳酸氧化酶(LOx)]和HRP的鸡尾酒凝胶包埋在PVA：PLL聚合物基质中。2、在凝胶中加入EDC/sulfo-NHS活化羧酸形成酰胺键。然后将凝胶引入组织中，原位聚合形成软电子导体(图1B)。来自组织的代谢物扩散到注入的凝胶中，ROx酶催化其氧化，在O2存在的情况下产生H2O2作为副产物。然后HRP局部将H2O2转化为H2O，在此过程中，ETE单体转化为自由基并发生进一步聚合。3、聚合的ETE-NHS中间体与PLL交联形成稳定的pETE-PLL导电聚合物凝胶电极(图1C)。所得到的电极形状和构型取决于引入到目标生物系统中的成分的扩散和化学动力学，以及该系统中的天然微环境。1、导电凝胶的电学特性高度依赖于凝胶配方。本工作使用具有Parylene C(PaC)双层结构的Au微电极阵列( MEAs)研究了不同ETE NHS浓度下凝胶的电学特性(图2A)。凝胶滴在MEAs上，并允许脱水10 min。加入5 m M葡萄糖后，凝胶发生聚合。为进一步表征，凝胶聚合干燥后，通过PaC剥离定义形成的导电聚合物凝胶的面积。2、在聚合过程中，在两个相邻的Au电极之间施加一个不引起聚合的0.1 V的小电压。在加入葡萄糖后，表现出电流增加，通常延迟500 s。电流发生的时间取决于酶、代谢物和支持生物聚合物的浓度。然而，最大电流水平主要取决于ETE单体的浓度。3、当ETE - NHS浓度增加到8 mg ml-1时，电导率和电容均增加，测得电导率峰值σ=0.25 S cm-1，比电容Cv=25 F cm-3 (图2B )。然而，测量的电导率值并不代表凝胶的最大电导率，因为它们可以进一步进行电化学掺杂。本工作发现零栅极电压下的漏极电流(Id)较低，而负栅极电压下Id增大。电流的增加表明凝胶并非本征完全掺杂。本工作认为这是由于聚合后，ETE-NHS的羧基/磺酸基-NHS基团与PLL的胺基结合，从而不能自掺杂聚合物。1、对于未聚合的凝胶，当使用条件培养基孵育PC-12细胞(图3,A和B)时，ETE单体通过介质扩散，随后附着或通过细胞膜。扩散后的单体对(图3C)细胞无毒性。然而，由于H2O2(图3C)的过量产生，LOx活性对细胞具有毒性。与不含HRP的凝胶相比，具有优化的HRP：LOx比率活性的凝胶对细胞存活率的影响显著更好。2、在斑马鱼活体中注射凝胶以验证酶触发的体内聚合。麻醉的白化斑马鱼由于其多功能性和一般的透明度被用作可视化聚合的模型。注射到尾鳍中的鸡尾酒凝胶(~100 nl)在体内聚合，在整个鳍腔长度上产生明显的深色(图4A)。葡萄糖和乳酸都被证明是聚合反应的催化剂，其中乳酸诱导的聚合反应相对较快，这可能是由于其在斑马鱼组织中的浓度较高。3、在与LOx孵育的凝胶中，线状结构的聚合和形成在心脏样品中更为突出(图4I)。将心脏从LOx凝胶中取出，然后与MEAs进行整合。应用线性电压扫描，遵循欧姆定律，在LOx凝胶中孵育的心脏有明显的线性电流响应，而在仅电解质对照中不明显(图4J)。除了电功能化，选择性聚合，结合从单体到聚合物的局部着色，可能对感兴趣区域的局部染色有用。1、作为概念的证明，本工作首先尝试在神经组织和Au电极之间的界面诱导凝胶的离体聚合，以降低其阻抗。本工作使用药用水蛭(Hirudo drugis)作为模型，因为它们简单，容易获得，并且具有良好的神经系统特征。以LOx为主要酶的滴制凝胶在水蛭(图5,A和B)的连接神经周围和水蛭肌肉中聚合时间为5~15 min，而GOx不聚合。与斑马鱼脑中一样，水蛭中乳酸浓度高于葡萄糖。2、基于PaC的柔性探针上的图案化Au电极通过神经周围聚合的凝胶与水蛭神经界面结合。采用印刷电路板作为电极探针与记录系统之间的接口。每个探针由8个电极组成，每个电极的面积为450×200μm2，相邻电极之间的间距为50 μm (图5C)。3、凝胶沉积2 min后未观察到电流(图5I)。为了验证聚合物本身可以降低单个电极的阻抗，本工作还利用聚对二甲苯剥离技术和含乳酸的溶液诱导聚合在柔性探针上的单个Au电极上图案化凝胶，降低了凝胶图案化Au电极在低频下的阻抗。这些阻抗测量与导电聚合物增加Au电极电容的研究一致。总之，本工作报道了一种在脊椎动物和无脊椎动物模型中，利用内源性代谢物促进酶促聚合反应，在生物体内形成无底物有机电子的策略。将含有酶和小分子电活性单体的凝胶注入生物组织，内源性代谢物诱导单体聚合。这就使得有机电子凝胶不需要与内在的生物和流变不相容的刚性基底材料。这些局部和体内形成的有机电子系统预示着电子学与生物学的发展和界面的范式转变。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9998更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。