在活組織中生長(zhǎng)的基于凝膠的電極

瑞典林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)的研究人員使用人體分子作為觸發(fā)器，成功地在活體組織中培育出基于凝膠的電極。通過(guò)注入含有酶作為組裝分子的凝膠，研究人員能夠在斑馬魚(yú)和藥用水蛭的組織中形成電極。

該團(tuán)隊(duì)表示，這一成就可能會(huì)導(dǎo)致在生物體中生成完全集成電子電路的技術(shù)的發(fā)展。“幾十年來(lái)，我們一直在嘗試創(chuàng)造模仿生物學(xué)的電子產(chǎn)品，”林雪平大學(xué)LOE有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室的MagnusBerggren博士說(shuō)。“現(xiàn)在我們讓生物學(xué)為我們創(chuàng)造電子產(chǎn)品。”

該團(tuán)隊(duì)在一篇題為“無(wú)底物有機(jī)生物電子學(xué)的代謝物誘導(dǎo)體內(nèi)制造”的論文中報(bào)告了其在科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展。

作者表示，生物學(xué)和技術(shù)之間的界限正在變得模糊，將電子設(shè)備與生物組織聯(lián)系起來(lái)的能力對(duì)于幫助理解復(fù)雜的生物功能、對(duì)抗大腦疾病以及開(kāi)發(fā)未來(lái)的人機(jī)界面非常重要。然而，與半導(dǎo)體工業(yè)并行發(fā)展的傳統(tǒng)生物電子學(xué)具有固定和靜態(tài)的設(shè)計(jì)，即使不是不可能，也很難與活的生物信號(hào)系統(tǒng)相結(jié)合。“將電子設(shè)備與神經(jīng)組織連接起來(lái)對(duì)于理解復(fù)雜的生物功能至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的生物電子設(shè)備由剛性電極組成，從根本上與生命系統(tǒng)不相容，”該團(tuán)隊(duì)寫(xiě)道。

為了彌合生物學(xué)與技術(shù)之間的差距，Berggren及其同事開(kāi)發(fā)了一種在活組織中制造柔軟、無(wú)底物、導(dǎo)電聚合物材料的方法。多組分混合物基于一種稱為ETE的物質(zhì)的衍生物，并使用內(nèi)源性代謝物觸發(fā)可注射凝膠內(nèi)有機(jī)前體的酶促聚合，“從而形成具有長(zhǎng)程導(dǎo)電性的導(dǎo)電聚合物凝膠，”研究人員評(píng)論道。“將含有酶和小電活性單體的凝膠注入生物組織，內(nèi)源性代謝物誘導(dǎo)單體聚合。這導(dǎo)致有機(jī)電子凝膠不需要?jiǎng)傂?mdash;—因此本質(zhì)上在生物學(xué)和流變學(xué)上不相容——基板材料。”

由于身體的內(nèi)源性分子足以觸發(fā)電極的形成，因此不需要遺傳修飾或外部信號(hào)，例如光或電能，而這在以前的實(shí)驗(yàn)中是必需的。“......內(nèi)源性化合物驅(qū)動(dòng)的聚合方法不需要對(duì)目標(biāo)細(xì)胞或組織進(jìn)行基因操作，使其更容易翻譯，”他們繼續(xù)說(shuō)道。瑞典研究人員是世界上第一個(gè)在這方面取得成功的人。

XenofenStrakosas博士是LOE和隆德大學(xué)的研究員，也是該研究的主要作者之一，他進(jìn)一步解釋說(shuō)，“與身體物質(zhì)的接觸會(huì)改變凝膠的結(jié)構(gòu)并使其導(dǎo)電，而注射前則不然.根據(jù)組織的不同，我們還可以調(diào)整凝膠的成分以使電過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行。”

在他們的研究中，研究人員進(jìn)一步表明，該方法可用于將導(dǎo)電材料定位到特定的生物亞結(jié)構(gòu)，從而為神經(jīng)刺激創(chuàng)造合適的界面。

通過(guò)在隆德大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)成功地在斑馬魚(yú)的大腦、心臟和尾鰭以及藥用水蛭的神經(jīng)組織周?chē)纬闪穗姌O。這些動(dòng)物沒(méi)有受到注射凝膠的傷害，也沒(méi)有受到電極形成的影響。

該團(tuán)隊(duì)必須克服的眾多挑戰(zhàn)之一是規(guī)避動(dòng)物可能的免疫系統(tǒng)反應(yīng)。“通過(guò)對(duì)化學(xué)進(jìn)行巧妙的改變，我們能夠開(kāi)發(fā)出被腦組織和免疫系統(tǒng)接受的電極，”隆德大學(xué)醫(yī)學(xué)院的合著者羅杰奧爾森說(shuō)，他在隆德大學(xué)也有一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。哥德堡大學(xué)。“斑馬魚(yú)是研究大腦中有機(jī)電極的絕佳模型。”

Roger教授在閱讀電子玫瑰后主動(dòng)提出研究由林雪平大學(xué)的研究人員于2015年開(kāi)發(fā)。一個(gè)研究問(wèn)題，也是植物和動(dòng)物之間的一個(gè)重要區(qū)別，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的差異。植物具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，可以形成電極，而動(dòng)物細(xì)胞更像是一團(tuán)柔軟的物質(zhì)。創(chuàng)建具有足夠結(jié)構(gòu)和正確物質(zhì)組合以在這樣的環(huán)境中形成電極的凝膠是一項(xiàng)需要多年才能解決的挑戰(zhàn)。研究人員表示，新的發(fā)展將“......適用于廣泛的組織和動(dòng)物模型......這種方法可用于靶向特定的生物亞結(jié)構(gòu)，適用于神經(jīng)刺激，為完全整合的體內(nèi)鋪平道路-神經(jīng)系統(tǒng)中的人造電子設(shè)備。”

他們的研究為生物電子學(xué)的新范式鋪平了道路，以前需要植入物理物體來(lái)啟動(dòng)體內(nèi)的電子過(guò)程，未來(lái)注射粘性凝膠就足夠了。科學(xué)家們表示，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在生物體中制造完全集成的電子電路是可能的。“這種方法可用于針對(duì)特定的生物子結(jié)構(gòu)，適用于神經(jīng)刺激，為神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)完全集成的體內(nèi)制造電子設(shè)備鋪平了道路，”該團(tuán)隊(duì)表示。

“我們的研究結(jié)果為思考生物學(xué)和電子學(xué)的全新方式開(kāi)辟了道路，”LOE的博士生、該研究的主要作者之一HanneBiesmans說(shuō)。我們還有一系列問(wèn)題需要解決，但這項(xiàng)研究是未來(lái)研究的一個(gè)很好的起點(diǎn)。”

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