《科学》神奇突破：打一针，大脑里长出了电极！

▎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。

“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。

▲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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