Science：導電聚合物及凝膠實現體內直接合成！

一、【導讀】

實際上，傳統的生物電子材料由與生命系統根本不兼容的剛性電極組成，靜態固態電子學和動態生物物質之間的差異使得兩者的無縫集成具有挑戰性。盡管學術界已經研究了一些功能性生物電子材料，但植入部位周圍疤痕組織的快速形成會影響生物電子界面的壽命、精度和整體保真度。通常情況下，大多數材料制備都基于薄膜，需要具有不同剛度的基底，從而為生物系統引入了復雜性，并導致形成一層或多層的常見失效模式。更加重要的是，材料的不兼容會引起生物組織炎癥。

如今，學術界采用了各種策略來設計與生物系統具有無縫銜接的電極。隨著具有混合離子-電子傳導的本征電活性導電聚合物的軟電子器件的興起，為了規避限制，從溶液中以單體的形式引入并在體內聚合，形成了導電聚合物。然而，聚合需要化學和/或電能量，這可能對敏感的神經組織有害。

二、【成果掠影】

在此，瑞典林雪平大學Magnus Berggren院士和Xenofon Strakosas教授（共同通訊作者）開發了一種直接在生物體組織內部，動態創建軟基材無基底導電聚合物并凝膠化的方法，產生接近于100%融合的生物-非生物界面，對生物組織造成的損害很小。具體來說，作者引入了一種復雜的前體系統，包括原位生成過氧化氫的氧化酶、催化氧化聚合的過氧化酶、水溶性共軛單體、具有用于共價交聯的抗衡離子的聚電解質和用于穩定的表面活性劑，作者能夠在不同的組織環境中誘導聚合和隨后的凝膠化。作為概念性驗證，在斑馬魚和水蛭中展示了體內電極的形成，使用內源性代謝物觸發可注射凝膠內有機前驅體的酶聚合，從而形成具有長距離電導率的導電聚合物凝膠。此外，這種方法可用于靶向特定的生物結構，適用于神經刺激，為在神經系統內制備完全集成的電子設備鋪平了道路。

相關研究成果以“Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics”為題發表在Science上。

三、【核心創新點】

√報道了一種在周圍神經系統（PNS）和中樞神經系統（CNS）內動態創建高性能電極結構的方法，其廣泛適用于動物模型

√使用內源性代謝物觸發可注射凝膠內有機前驅體的酶聚合，從而形成具有長距離電導率的導電聚合物凝膠

四、【數據概覽】圖1 內源性代謝物誘導的導電聚合物凝膠的體內聚合? 2023 AAAS

（A）凝膠成分的示意圖；

（B）在引入凝膠后，在中樞神經系統中的動態聚合反應；

（C）體內聚合機理示意圖；

（D，E）將凝膠（黃棕色）注射到含有5 mM葡萄糖的瓊脂糖凝膠中，隨后在10 min后聚合（深藍色）的過程；

（F）注射后1 min和注射后120 min凝膠的紫外-可見光譜（紅線）。圖2 電子和電化學的穩定性? 2023 AAAS

（A）用于表征聚合凝膠的電子、電化學和穩定性性能的電化學平臺示意圖；

（B）電導率和比電容與單體濃度的函數關系；

（C）在去離子水中超聲10 min后，凝膠薄膜的循環伏安曲線。

圖3 細胞生物相容性? 2023 AAAS

（A）在沒有ETE或酶的對照培養基中培養的PC12細胞的共聚焦熒光圖像；

（B）培養的PC12細胞在含有ETE-COONa的培養基中培養24小時的共聚焦熒光圖像；

（C）用含有ETE和各種組合酶的培養基培養細胞的試驗。

圖4 在斑馬魚體內的聚合? 2023 AAAS

（A）斑馬魚與凝膠在鰭上聚合的照片；

（B）凝膠聚合過程中斑馬魚鰭的延時顯微鏡圖像;

（C）將凝膠注入斑馬魚大腦的示意圖；

（D）與金屬電極集成用于測量斑馬魚大腦切片示意圖；

（E）用金屬電極集成的腦切片的顯微鏡圖像；

（F）電極上的腦切片樣本的電流-電壓曲線；

（G，H）將提取的斑馬魚心臟浸入以GOx為氧化酶的酒凝膠中的顯微鏡圖像；

（I）以LOx作為氧化酶，浸泡在凝膠中心臟的顯微鏡圖像；

（J）斑馬魚心臟在電極上的測量結果，與浸泡在磷酸鹽緩沖鹽水電解質中的對比。圖5 水蛭神經系統周圍的體內聚合及柔性探針上電化學性質的動態變化? 2023 AAAS

（A）具有聚合凝膠的水蛭圖片；

（B）聚合凝膠的特寫；

（C）柔性探針與8個圖案電極的顯微鏡圖像；

（D-F）1小時后，柔性探針頂部的導電凝膠的顏色從透明變為深藍色；

（G）用于測量EIS的電路連接示意圖；

（H）凝膠沉積后電極的EIS測量；

（I）在凝膠沉積2 min和50 min后，兩個相鄰電極之間的電流-電壓曲線。

五、【成果啟示】

綜上所述，作者將含有酶和電活性單體的凝膠注入生物組織，內源性代謝物誘導單體聚合，從而使得有機電子凝膠不需要基底，因此本質與生物學上兼容。這種體內制造的凝膠電極在瓊脂糖凝膠、細胞培養、斑馬魚和水蛭模型系統以及哺乳動物肌肉組織中均得到驗證，證明了內源性聚合方法的廣泛通用性。作者相信，這些局部和體內形成的有機電子系統，有望在電子學與生物學的界面方面實現進一步應用，實現生物和電子材料之間的無縫銜接。

原文詳情：“Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics”（Science，2023，10.1126/science.adc9998）

本文由材料人CYM編譯供稿。