想象一下，未来你的医生可以将凝胶注入你的组织，凝胶会形成柔软的导电电极。然后可以用它来治疗你的神经系统疾病。过了一会儿，电极就会溶解并消失。瑞典研究人员已经开发出这种凝胶，随着时间的推移，他们希望能够将电子设备连接到生物组织——例如大脑。
在微型电路上测试注射凝胶的导电性。图片来源：Thor Balkhed/林雪平大学
电子医学是一个不能完全融入现有领域的研究领域。
“现在你正在和一位物理学家、一位化学家和我交谈，我拥有生物医学背景。我们与材料科学家和电气工程师一起工作，整合我们不同领域的知识。要做到这一点，你需要了解大脑，你需要了解化学和物理学，”林雪平大学有机电子实验室 (LOE) 的博士生 Hanne Biesmans 说道。
她提到的研究是关于所谓的有机电子器件，这种器件可以连接到活体组织。长期目标是能够治疗各种神经系统和脑部疾病。她的同事托拜厄斯·亚伯拉罕森是一名化学家。
“我们的研究具有跨学科性质，将不同的方面和知识领域结合在一起，这非常令人兴奋。你也可以说我有更个人化的动机，因为我的家人中有人患有影响神经系统的疾病，”他说。
在生物学和电子学之间进行转换
但有机电子到底是什么？它又如何用于治疗如今难以治疗的疾病，如癫痫、抑郁症、阿尔茨海默病和帕金森病呢？
“在体内，通讯是通过许多小分子进行的，例如神经递质和离子。例如，神经信号也是产生电脉冲的离子波。因此，我们需要一种能够接收所有这些信息并充当离子和电子之间转换器的东西，”拥有物理学背景的助理教授 Xenofon Strakosas 说道。
2023 年，他们与林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的其他研究人员合作，成功在活组织中培育出凝胶电极。
“电子器件不再使用金属和其他无机材料来传导电流，而是使用基于碳和氢原子的不同材料（即有机材料）来制造，这些材料具有导电性。这些材料与生物组织更相容，因此更适合与身体等结合，”Tobias Abrahamsson 说道。
有机电子材料对于传导生物信号非常有用，因为它们既能传导离子，也能传导电子。而且，它们与金属不同，质地柔软。
电刺激大脑已经被用来治疗一些疾病。例如，将电极植入大脑可以治疗帕金森病。
“但目前临床上使用的植入物还很初级；它们基于金属等硬质或刚性材料。而我们的身体很软。因此会产生摩擦，这可能会导致炎症和疤痕组织的形成。我们的材料更柔软，与身体的兼容性更高，”Hanne Biesmans 说道。
植物内的电极
早在十年前，他们在 LOE 的同事就展示了他们可以让植物吸收一种水溶性物质，这种物质在植物茎内形成一种导电的结构。换句话说，这是一种植物内部的电极。
这种物质是一种所谓的聚合物，由许多相似的小单元组成，这些单元可以通过聚合过程形成长链。当时，研究人员使用了玫瑰，并展示了他们已经制造出有机电极。这为新的研究领域打开了大门。
“但还缺少了一点。例如，我们不知道如何在哺乳动物体内和大脑中形成聚合物。但后来我们意识到，我们可以在凝胶中加入酶，利用人体自身的物质来启动聚合反应，”Xenofon Strakosas 说道。
这个想法使得研究人员现在能够将这种略带粘性的凝胶状溶液注入组织中。当它与人体自身的物质（如葡萄糖）接触时，凝胶的性质就会发生变化。瑞典研究人员是世界上第一个成功使用这种方法激活组织中电极形成的人。
“凝胶在组织中自我聚合，并具有导电性。我们让生物体为我们完成这一任务，”Xenofon Strakosas 说道。
此外，凝胶还会留在注射的地方。这一点很重要，因为研究人员希望能够控制凝胶在组织中的位置。研究小组已经证明，他们可以通过这种方式在斑马鱼的大脑和水蛭的神经系统周围培育电极。他们现在正在研究这种方法是否也适用于小鼠。
但要让这种凝胶治疗疾病成为现实，还有很长的路要走。首先，研究小组将探索这种凝胶在组织内的稳定性。它会在一段时间后分解吗？然后会发生什么？另一个重要问题是，这种导电凝胶如何与体外的电子设备连接。
“这不是一件容易的事，但我希望随着时间的推移，这种方法可以用于监测体内发生的事情，直至细胞水平。然后我们也许可以更多地了解是什么引发或导致了神经系统的不同疾病，”托拜厄斯·亚伯拉罕森说。
“还有很多问题需要解决，但我们正在取得进展，”Xenofon Strakosas 说道。如果我们最终能够使用电极读取体内信号并将其用于研究或医疗保健，那就太棒了。”
卡琳·索德伦德·莱弗勒 编剧
来源: 林雪平大学
