Science：导电聚合物及凝胶实现体内直接合成！

一、【导读】

实际上，传统的生物电子材料由与生命系统根本不兼容的刚性电极组成，静态固态电子学和动态生物物质之间的差异使得两者的无缝集成具有挑战性。尽管学术界已经研究了一些功能性生物电子材料，但植入部位周围疤痕组织的快速形成会影响生物电子界面的寿命、精度和整体保真度。通常情况下，大多数材料制备都基于薄膜，需要具有不同刚度的基底，从而为生物系统引入了复杂性，并导致形成一层或多层的常见失效模式。更加重要的是，材料的不兼容会引起生物组织炎症。

如今，学术界采用了各种策略来设计与生物系统具有无缝衔接的电极。随着具有混合离子-电子传导的本征电活性导电聚合物的软电子器件的兴起，为了规避限制，从溶液中以单体的形式引入并在体内聚合，形成了导电聚合物。然而，聚合需要化学和/或电能量，这可能对敏感的神经组织有害。

二、【成果掠影】

在此，瑞典林雪平大学Magnus Berggren院士和Xenofon Strakosas教授（共同通讯作者）开发了一种直接在生物体组织内部，动态创建软基材无基底导电聚合物并凝胶化的方法，产生接近于100%融合的生物-非生物界面，对生物组织造成的损害很小。具体来说，作者引入了一种复杂的前体系统，包括原位生成过氧化氢的氧化酶、催化氧化聚合的过氧化酶、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和用于稳定的表面活性剂，作者能够在不同的组织环境中诱导聚合和随后的凝胶化。作为概念性验证，在斑马鱼和水蛭中展示了体内电极的形成，使用内源性代谢物触发可注射凝胶内有机前驱体的酶聚合，从而形成具有长距离电导率的导电聚合物凝胶。此外，这种方法可用于靶向特定的生物结构，适用于神经刺激，为在神经系统内制备完全集成的电子设备铺平了道路。

相关研究成果以“Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics”为题发表在Science上。

三、【核心创新点】

√报道了一种在周围神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）内动态创建高性能电极结构的方法，其广泛适用于动物模型

√使用内源性代谢物触发可注射凝胶内有机前驱体的酶聚合，从而形成具有长距离电导率的导电聚合物凝胶

四、【数据概览】图1 内源性代谢物诱导的导电聚合物凝胶的体内聚合© 2023 AAAS

（A）凝胶成分的示意图；

（B）在引入凝胶后，在中枢神经系统中的动态聚合反应；

（C）体内聚合机理示意图；

（D，E）将凝胶（黄棕色）注射到含有5 mM葡萄糖的琼脂糖凝胶中，随后在10 min后聚合（深蓝色）的过程；

（F）注射后1 min和注射后120 min凝胶的紫外-可见光谱（红线）。图2 电子和电化学的稳定性© 2023 AAAS

（A）用于表征聚合凝胶的电子、电化学和稳定性性能的电化学平台示意图；

（B）电导率和比电容与单体浓度的函数关系；

（C）在去离子水中超声10 min后，凝胶薄膜的循环伏安曲线。

图3 细胞生物相容性© 2023 AAAS

（A）在没有ETE或酶的对照培养基中培养的PC12细胞的共聚焦荧光图像；

（B）培养的PC12细胞在含有ETE-COONa的培养基中培养24小时的共聚焦荧光图像；

（C）用含有ETE和各种组合酶的培养基培养细胞的试验。

图4 在斑马鱼体内的聚合© 2023 AAAS

（A）斑马鱼与凝胶在鳍上聚合的照片；

（B）凝胶聚合过程中斑马鱼鳍的延时显微镜图像;

（C）将凝胶注入斑马鱼大脑的示意图；

（D）与金属电极集成用于测量斑马鱼大脑切片示意图；

（E）用金属电极集成的脑切片的显微镜图像；

（F）电极上的脑切片样本的电流-电压曲线；

（G，H）将提取的斑马鱼心脏浸入以GOx为氧化酶的酒凝胶中的显微镜图像；

（I）以LOx作为氧化酶，浸泡在凝胶中心脏的显微镜图像；

（J）斑马鱼心脏在电极上的测量结果，与浸泡在磷酸盐缓冲盐水电解质中的对比。图5 水蛭神经系统周围的体内聚合及柔性探针上电化学性质的动态变化© 2023 AAAS

（A）具有聚合凝胶的水蛭图片；

（B）聚合凝胶的特写；

（C）柔性探针与8个图案电极的显微镜图像；

（D-F）1小时后，柔性探针顶部的导电凝胶的颜色从透明变为深蓝色；

（G）用于测量EIS的电路连接示意图；

（H）凝胶沉积后电极的EIS测量；

（I）在凝胶沉积2 min和50 min后，两个相邻电极之间的电流-电压曲线。

五、【成果启示】

综上所述，作者将含有酶和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，从而使得有机电子凝胶不需要基底，因此本质与生物学上兼容。这种体内制造的凝胶电极在琼脂糖凝胶、细胞培养、斑马鱼和水蛭模型系统以及哺乳动物肌肉组织中均得到验证，证明了内源性聚合方法的广泛通用性。作者相信，这些局部和体内形成的有机电子系统，有望在电子学与生物学的界面方面实现进一步应用，实现生物和电子材料之间的无缝衔接。

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

本文由材料人CYM编译供稿。