在活組織中生長的基于凝膠的電極

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。通過注入含有酶作為組裝分子的凝膠，研究人員能夠在斑馬魚和藥用水蛭的組織中形成電極。

該團隊表示，這一成就可能會導(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，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有機電子實驗室的MagnusBerggren博士說。“現(xiàn)在我們讓生物學(xué)為我們創(chuàng)造電子產(chǎn)品。”

該團隊在一篇題為“無底物有機生物電子學(xué)的代謝物誘導(dǎo)體內(nèi)制造”的論文中報告了其在科學(xué)領(lǐng)域的進展。

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)系起來的能力對于幫助理解復(fù)雜的生物功能、對抗大腦疾病以及開發(fā)未來的人機界面非常重要。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，即使不是不可能，也很難與活的生物信號系統(tǒng)相結(jié)合。“將電子設(shè)備與神經(jīng)組織連接起來對于理解復(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，”該團隊寫道。

為了彌合生物學(xué)與技術(shù)之間的差距，Berggren及其同事開發(fā)了一種在活組織中制造柔軟、無底物、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)有機前體的酶促聚合，“從而形成具有長程導(dǎo)電性的導(dǎo)電聚合物凝膠，”研究人員評論道。“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)致有機電子凝膠不需要剛性——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，例如光或電能，而這在以前的實驗中是必需的。“......內(nèi)源性化合物驅(qū)動的聚合方法不需要對目標(biāo)細胞或組織進行基因操作，使其更容易翻譯，”他們繼續(xù)說道。瑞典研究人員是世界上第一個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，他進一步解釋說，“與身體物質(zhì)的接觸會改變凝膠的結(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程繼續(xù)進行。”

在他們的研究中，研究人員進一步表明，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。

通過在隆德大學(xué)進行的實驗，該團隊成功地在斑馬魚的大腦、心臟和尾鰭以及藥用水蛭的神經(jīng)組織周圍形成了電極。這些動物沒有受到注射凝膠的傷害，也沒有受到電極形成的影響。

該團隊必須克服的眾多挑戰(zhàn)之一是規(guī)避動物可能的免疫系統(tǒng)反應(yīng)。“通過對化學(xué)進行巧妙的改變，我們能夠開發(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，他在隆德大學(xué)也有一個化學(xué)實驗室。哥德堡大學(xué)。“斑馬魚是研究大腦中有機電極的絕佳模型。”

Roger教授在閱讀電子玫瑰后主動提出研究由林雪平大學(xué)的研究人員于2015年開發(fā)。一個研究問題，也是植物和動物之間的一個重要區(qū)別，是細胞結(jié)構(gòu)的差異。植物具有堅硬的細胞壁，可以形成電極，而動物細胞更像是一團柔軟的物質(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啟動體內(nèi)的電子過程，未來注射粘性凝膠就足夠了。科學(xué)家們表示，從長遠來看，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，”該團隊表示。

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

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