[Adv. Mater.] 陈晓东：PEDOT：PSS水凝胶电极活体探测双模式神经血管活动
通讯作者：Shaomin Zhang；陈晓东
通讯单位：浙江大学；新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院
记录和调节大脑活动的神经电极对于神经科学和诊断至关重要。这些电极必须在电极-组织界面形成稳定的电耦合和强大的机械顺从性，才能可靠地工作。透明电极具有无缝贴合并能够在电极-大脑界面进行光学询问，很受欢迎。为了满足上述要求，导电聚合物（CP）水凝胶有可能引入所需的机械特性（例如柔软、湿润和可拉伸）和电性能（例如，低界面阻抗和高充电器注入能力）。电极对应物。
聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）在薄膜形式和体内生物相容性方面具有高度透明性。目前通过与非导电水凝胶混合或在水凝胶基质内/上聚合共轭单体来制备CP水凝胶的方法会损害导电性和微图案化能力。据报道，纯CP水凝胶可提高电导率，但它们的可拉伸性较差（<35%），并且在生理条件下电子稳定。因此，获得透明的CP水凝胶仍然是一个重大挑战。
基于此，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院陈晓东教授和浙江大学Shaomin Zhang合作报告了一种基于聚乙二醇化丝素蛋白（PSF）的高度透明且可拉伸的水凝胶电极，用于体内双模式神经接口。这种水凝胶将传统丝水凝胶的杨氏模量从<10kPa提高到1.51-10.73 MPa。此外，具有很强的稳定性，并将其在潮湿条件下的拉伸能力提高到>400%。相关工作以“A Stretchable and Transparent Electrode Based on PEGylated Silk Fibroin for In Vivo Dual-Modal Neural-Vascular Activity Probing”发表在Advanced Materials上。
图1. 基于PEDOT：PSS和丝素蛋白的高透明、可拉伸和稳定的水凝胶电极的设计：（a）加入PEGDE在SF（PSF）上形成交联和乙二醇单元的示意图；（b）薄膜丝电极的形成。将PSF溶液倒在PEDOT：PSS上并使其蒸发；（c）形成的电极的横截面图，SF链（黄色）穿过界面（P-PSF）；（d）P-PSF的形成。溶剂蒸发驱动丝胶束暴露其链，从而与PSS进行更多的相互作用；（e）透明P-PSF电极的横截面SEM图像显示PEDOT：PSS PSF界面是互连的，（i）通过EDX分析（ii）表征的界面处的N分布表明，来自丝绸N存在于PEDOT：PSS区域（虚线）中；（f）300-900 nm光通过PSF和P-PSF的透射表明电极是高度透明的。插图：水下透明电极在0%（左）和200%（右）应变下的光学图像证明了可拉伸性；（g）植入大鼠皮层表面的透明P-PSF电极网格（以灰色装饰以用于可视化目的）。
当聚乙二醇化丝沉积在PEDOT：PSS薄膜上时，形成了强穿透界面。这种坚固的界面使电极能够在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中稳定长达4个月并拉伸高达260%，表明电极与软组织形成稳定的电耦合，即使在应变下也能做到这一点。该电极还具有高度透明性（从可见光到近红外区域>85%）并且具有比金和铂更低的界面阻抗。研究人员进一步展示了该电极可以在激光照射期间没有光伪影的情况下记录光血栓形成大鼠大脑的原位神经活动，并且在不妨碍光学固有信号成像（OISI）和OCT的情况下刺激脑血流。值得注意的是，观察到电刺激会迅速引起动物血氧含量的变化，表明电极和脑组织之间已经建立了极好的电耦合。研究结果表明：基于丝的水凝胶电极为神经元的电和光询问提供了一种有效的工具，预计将广泛用于大脑研究和临床应用。
图2. PSF的分子表征、机械性能和分子动力学模拟；（a）用不同重量比例的PEGDE处理的蚕丝的FT-IR光谱显示，蚕丝中存在醚部分（1055cm-1），蚕丝的二级结构从结晶域（1511 cm-1）转移到无定形域（1535 cm-1）并随着PEGDE重量比的增加返回到结晶域（1511 cm-1）；（b）水下含有不同PEGDE wt%的PSF的杨氏模量（黑色曲线）和拉伸性（玫瑰红色曲线）。PEGDE的添加逐渐使丝绸变硬，拉伸性在10wt%PEGDE时达到峰值，然后下降。误差棒是4次独立测试的标准偏差；（c）含有和不含蛋白酶XIV（1 U mL-1）的PBS溶液中原始SF和10wt% PSF的生物降解曲线表明PSF在PBS中是稳定的并且是可生物降解的。误差棒是3个独立测试的标准偏差；（d）原始SF（左）和PSF（右）模型在水中的代表性快照显示，与原始SF相比，PSF包含更多的随机线圈和匝数，使其能够延伸和拉伸；（e）原始SF和PSF在水中二级结构的定量分布证实了（d）中的视觉数据；（f）原始SF和PSF的PEGDE结合位点处的13个残基的溶剂可及空间面积（SASA）和SASA。PSF中较高的SASA代表来自PEG链的水合效应，而PSF PEGDE结合位点处13个残基的较低SASA表明在添加PEGDE后存在局部空间屏蔽效应。SASA值代表分子模型生成过程最后10 ns的平均结果。误差棒代表分子模型生成过程最后10 ns结果的标准偏差。
图3. 大鼠光血栓形成急性中风模型中神经活动的原位表征：（a）实验装置示意图。将玫瑰红染料注入大鼠尾静脉，通过透明电极传送的激光（绿色）激活染料以诱发急性中风。电极通过柔性印刷电路（FPC）连接到Omni Plex神经记录设备以进行数据采集；（b）在光血栓形成过程中植入P-PSF的大鼠的照片；（c）放置在大鼠大脑上的P-PSF电极的光学图像，显示该电极是透明且贴合的。CH1到CH4是通道1到4，激光照明用绿色圆圈标记；（d）在光血栓形成前后CH1-CH2、CH2-CH3、CH3-CH4中记录的神经信号的频域反映了核心缺血区（CH2-CH3）和非核心缺血区（CH1-）下神经活动的局部变化CH2/CH3–CH4)，其中核心缺血区（CH2–CH3）的神经活动衰减最大；（e）0-3 Hz频率范围内神经信号的时域。PT前神经信号的平均能量用作基线。与文献一致，在核心缺血（CH2-CH3）和非核心缺血区域（CH1-CH2/CH3-CH4）下，神经信号与血流之间存在高度相关性。核心缺血（CH2-CH3）反映了PT期间最大的神经信号退化和PT后不久的最低再灌注。
参考文献：
Yajing Cui, Fan Zhang, Geng Chen, Lin Yao, NanZhang, Zhiyuan Liu, Qingsong Li, Feilong Zhang, Zequn Cui, Keqin Zhang, PengLi, Yuan Cheng, Shaomin Zhang, Xiaodong Chen, A Stretchable and Transparent Electrode Based on PEGylated Silk Fibroin for In Vivo Dual-Modal Neural-Vascular Activity Probing, Advanced Materials, 2021, https://doi.org/10.1002/adma.202100221.