《科学》：脑子里“长”出电极了

原创 奇点糕 奇点网

*仅供医学专业人士阅读参考

在神秘又复杂的神经生物学研究领域，利用电子设备探测神经系统的电活动，是一种重要的研究方法。不过，且不说如何从电信号中理解甚至生成意识，光是脑袋上插着几个坚硬冰冷的电极来吃喝拉撒睡，就已经是种“会呼吸的痛”了。这不，就在去年底，脑机接口领域大火的Neuralink公司便因涉嫌违反动物福利，而面临联邦调查[1]。

不过呢，聪明的头脑懂得另辟蹊径。

近日，来自瑞典林雪平大学的瑞典皇家科学院院士Magnus Berggren团队，成功让多种动物模型身上“长”出了电极。相关研究于近日发表在《科学》上[2]。

他们利用生物体内原本就有的代谢物，通过酶促多聚反应，使人为注入生物体内的惰性水凝胶具备了长距离导电能力。

他们的研究使这一领域有望摆脱传统电路的诸多弊端，为今后在体内制造完全集成电路提供了研究基础；同时，体内生成的电路可以只影响特定的神经结构、实现定向刺激，在治疗神经系统疾病方面也有巨大的应用前景。

论文题图

传统的植入物不仅对生物体有较大创伤，手术部位形成的瘢痕也会影响信号传递的精确性[3]。此外，传统的电极不光需要电路板作为载体，上面的导电涂层也容易脱落，难以建立长期稳定的生物-电子界面。因此，理想的生物电极材料应当具有良好的粘弹性，最好还能无缝植入。

基于这个思路，科学家们自然而然地将目光从冰冷的金属导体转向了高分子化合物这一巨大的宝库，开发出了一系列柔软且有弹性的电极材料。但即便如此，对于脆弱敏感的神经系统而言，植入手术仍然是一次巨大的伤害。

那么，能不能把高分子的聚合反应转移到体内进行呢？若要从这个角度实现目标，必须利用机体本身具有的酶来催化反应。Berggren团队的研究人员找到了满足要求的内源过氧化物酶[4]，它们催化H2O2生成自由基单体，自由基单体再进一步聚合成可导电的多聚物。

找到了满足条件的内源性催化剂之后，研究人员又提出了生物电极材料的以下标准：第一，应当是一种与神经组织良好相容的流体，但又不至于过度扩散到距离注射区域过远的地方；第二，自身不含有、也不会在聚合反应中产生有毒物质；第三，最终形成的电极应当成分单一、长期稳定、柔软、导电能力强且电容大，无论距离长短都表现优异。

导电凝胶（右）与传统生物电极（左）比较[5]

看到这里，你可能也要像奇点糕一样感叹“此极只应天上有，人间能得几回闻”。你别说，他们还真设计出了满足所有条件的混合凝胶。凝胶成分包括聚合物单体ETE-COONa、氧化酶（ROx）-辣根过氧化物酶（HRP）系统、交联剂EDC/磺基NHS以及多聚左旋赖氨酸（PLL）等有助于保持粘弹性和稳定性的分子。

要想催化单体形成聚合物，除了HRP，也必须要有H2O2的参与。但动物的神经系统中并不天然含有H2O2，因此需要ROx先催化产生H2O2，才能进行多聚反应。

凝胶被注射进体内之后，周围组织中的小分子代谢物扩散进入凝胶，氧气被ROx催化氧化成H2O2，HRP再将H2O2水解，同时ETE单体被转化为自由基，进行后续聚合反应。多聚ETE-NHS再与PLL交联，黏度增大，形成稳定的凝胶电极。最终形成的电极形状与结构由注射物的成分和注射部位的组织微环境共同决定。

凝胶体内反应模式图

导电凝胶的电学性能受到凝胶配方的影响。在凝胶聚合、逐渐产生导电能力的过程中，如果持续在两端加上一个恒定的电压，电流出现的时间与酶、小分子代谢物和多聚物骨架的浓度有关；而电流的最大值主要由ETE单体的浓度决定。

体外检测凝胶电学特性

确认了导电凝胶的电学特征之后，研究人员进一步检测了此种ETE-NHS骨架导电凝胶的稳定性和生物相容性。

他们发现，凝胶凝固之后，无论是与神经细胞一起培养，还是附着在微电极阵列上一同接受超声震荡，形态都依旧完好，电学和电化学特性也不会丢失；并且在循环充放电1000次后也不明显改变电容大小。

随着凝胶聚合，ETE单体被激发出的蓝色荧光逐渐减弱直至消失

在生物相容性方面，这种凝胶可能从以下几个方面对机体造成危害：第一，未与PLL结合的ETE-NHS单体扩散至周围组织，可能有毒；第二，ROx可持续催化小分子代谢物产生大量H2O2。不过，后续实验证明，扩散的ETE-NHS单体对神经细胞并没有毒性。研究人员通过不断调整配方，也摸索出了最佳的HRP与ROx比例，使得生成H2O2最少。

以上一系列安全性与有效性检测都成功通过之后，导电凝胶终于进入了最为激动人心的体内试验环节。

斑马鱼的脑、鳍、心脏均成功形成聚合物，并且注射凝胶之后收集的脑组织切片具有更强的导电能力。注射凝胶之后的斑马鱼行为模式和脑组织结构都没有改变。并且在ROx的具体选择上，乳酸氧化酶（LOx）的各方面表现都优于葡萄糖氧化酶（GOx），可能是因为斑马鱼组织中乳酸的浓度较高。

可见斑马鱼尾鳍中导电凝胶聚合（蓝色）

研究人员还脑洞大开地向牛肉、猪肉、鸡肉和豆腐中分别注射了含有GOx或LOx的凝胶，发现在肉类中都能顺利进行聚合反应，但豆腐中则由于缺乏代谢物而难以反应。

动物肌肉中的导电凝胶聚合（蓝色）

这么看来，由于葡萄糖和乳酸广泛存在于动物体内，本研究中的导电凝胶在各种动物组织中均具有应用潜力，不过还是需要根据组织代谢物分布的特点，来选择合适的氧化酶种类。

导电凝胶传递电信号，使水蛭肌肉收缩

在神经生物学研究中，导电聚合物可包裹在植入的金属电极与组织之间，同时改善记录和刺激神经电活动的效果。研究人员利用医用水蛭，探究了导电凝胶作为缓冲的可能性。他们发现，在导电凝胶存在的情况下，即便金属电极与神经组织不直接接触，也不影响电信号传递；但凝胶的输出电压还达不到足以完全代替金属电极的程度。

虽然导电凝胶距离实际应用还有一段距离，但本研究设计新型材料的思路仍然为相关领域的探索指出了新的方向。或许就在不久的以后，真正无创的生物-非生物界面便会问世，我们也能见证下一场技术革命的到来。

参考文献：

[1] https://www.reuters.com/technology/musks-neuralink-faces-federal-probe-employee-backlash-over-animal-tests-2022-12-05/

[2] Strakosas X, Biesmans H, Abrahamsson T, et al. Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics. Science. 2023;379(6634):795-802. doi:10.1126/science.adc9998

[3] Salatino JW, Ludwig KA, Kozai TDY, Purcell EK. Glial responses to implanted electrodes in the brain [published correction appears in Nat Biomed Eng. 2018 Jan;2(1):52]. Nat Biomed Eng. 2017;1(11):862-877. doi:10.1038/s41551-017-0154-1

[4] Stavrinidou E, Gabrielsson R, Nilsson KP, et al. In vivo polymerization and manufacturing of wires and supercapacitors in plants. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(11):2807-2812. doi:10.1073/pnas.1616456114

[5] Inal S. Turning tissues into conducting matter. Science. 2023;379(6634):758-759. doi:10.1126/science.adg4761

本文作者丨初 一

责任编辑丨代丝雨

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