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67、打一针,大脑里长出了电极 ...
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Science:打一针,大脑里“长出”了电极!一种活体组织转化为电子器件的新方法问世
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?▎药明康德内容团队编辑
向动物的脑部打了一针后,接受注射的部位在10分钟内竟然自行长出了电极。
本周,《科学》杂志报道了这项充满科幻色彩的颠覆性技术。来自瑞典多所高校的科学家合作,开发出一种在活体组织内制造生物电子器件的新方法,并且为在体内制造完全集成的电路铺平了道路。
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“几十年来,人们一直试图造出模仿生物学的电子器件;而现在,我们可以用生物学为我们创造这些器件。” 领导这项研究的瑞典林雪平大学Magnus Berggren教授点评道。
?▲通过凝胶注射,斑马鱼的尾鳍中长出了电极(图片来源:参考资料[1])
前两年,马斯克的脑机接口实验曾经出了一次圈。无论是脑机接口技术,还是利用脑深部电刺激治疗神经疾病,往往首先需要向大脑中植入电极。这个过程不仅具有侵入性,而且会用到与生物组织不兼容的刚性电极基底。后果是,电极周围很容易出现炎症,器件的性能也会逐渐受损。
显然,柔软的生物组织与坚硬的电极基底之间存在一道隔阂。为了解决这个难题,研究团队另辟蹊径:既然植入电极存在种种弊端,那就彻底摒弃这个策略,改成让生物体自己“长出”柔软的电极。这样一来,就不再需要刚性基底,生物兼容性的问题也就迎刃而解了。
为了做到这一点,研究团队设计了一套精妙的化学反应。他们首先调制了一份用于注射的“鸡尾酒”凝胶——简单来说,其中主要有两类有效成分,分别是可以组装形成导电聚合物的一系列单体分子,以及两种催化这个组装过程的酶。
?▲研究使用的凝胶“鸡尾酒”以及在生物组织中的化学反应(图片来源:参考资料[1])
将凝胶注射进生物组织之后,氧化还原酶首先出场,将生物体自身的代谢产物葡萄糖、乳糖分解,产生过氧化氢。随后,过氧化氢充当了聚合反应的氧化剂,在另一种过氧化物酶的催化下与单体分子反应,最终形成柔软、能够导电的聚合物凝胶。
因此,不需要经过基因改造,也不需要对外部信号的调控,注射进体内的凝胶仅仅是在常见代谢产物的帮助下,就触发了电极的形成机制。
?▲研究团队在微电路上检验注射所用的凝胶(图片来源:Thor Balkhed)
“与身体组织的接触改变了凝胶的结构,使其产生了导电性。根据生物组织的不同,我们可以调整凝胶的成分,使得导电过程延续下去。”这项研究的另一位通讯作者Xenofon Strakosas博士说。
接下来,在瑞典隆德大学的实验室中,凝胶注射的效果与安全性在一系列动物实验中得到了检验。
研究团队分别向斑马鱼的脑部、心脏和尾鳍中注射凝胶,很快这些组织中自行长出了聚合物电极。在此后的3天中,这些斑马鱼能够正常游动、行为没有出现异常,并且凝胶周围也没有表现出组织损伤的迹象。
?▲接受凝胶注射后,斑马鱼的不同组织中都长出了电极(图片来源:参考资料[1])
在接下来的水蛭实验中,研究团队将凝胶注射至水蛭神经组织周围,展示了导电凝胶如何将神经组织与微型柔性探针上的电极相连。此外,他们还在离体的哺乳动物(牛、猪和鸡)肌肉组织中同样培养出了凝胶电极。
论文指出,这种全新的方法可以将导电材料靶向特定的生物结构,从神经刺激创造合适的交互界面。从长远来看,这项技术有望在生物体内制造完全集成的电子电路。
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▲长出电极的斑马鱼能够正常游动(视频来源:Roger Olsson)
这项技术还将为脑深部刺激技术带来新的提示,甚至帮助受损的神经重新生长。在医学应用中,向大脑中植入电极有着巨大的潜力,可以帮助大脑实现对假肢的操控,甚至是增强记忆力。但传统的电子材料会导致炎症或是产生疤痕,限制电极在活体组织中的工作寿命。
“通过改变化学成分,我们可以开发出被脑组织和免疫系统容纳的电极。”隆德大学医学院的Roger Olsson教授说。
2015年,林雪平大学的科学家就曾打造出“电子玫瑰”,用导电凝胶在玫瑰花茎中形成电路。相比之下,最新研究克服的挑战更加艰巨:植物细胞具有刚性的细胞壁,可以形成电极;但动物细胞更像是一个个软块,改造的难度也更大。
在同期《科学》的视角文章中,沙特阿卜杜拉国王科技大学的Sahika Inal教授点评道:“要确认该技术是否适用于长期植入,验证其长期的安全性与稳定性将至关重要。这项技术表明,任何活体组织都能转化为电子器件,这也让该领域更接近于生成有潜力伴随终生、将对组织的伤害最小化的生物-非生物界面。”
参考资料:[1] Xenofon Strakosas et al, Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adc9998[2] Sahika Inal. Turning tissues into conducting matter. Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg4761[3] Electrodes grown in the brain – paving the way for future therapies for neurological disorders. Retrieved Feb. 23rd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/980082[4] Electrodes build themselves inside the bodies of live fish. Retrieved Feb. 23rd, 2023 from https://www.nature.com/articles/d41586-023-00544-w
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