胶原/聚吡咯复合膜结构设计对生物电极电学性能与生物效应的协同优化机制研究

为解决生物电极界面电学性能与生物相容性难以协同提升的难题，研究人员通过构建胶原(Col)/聚吡咯(Ppy)复合膜修饰ITO电极，创新性地设计均质混合与阶梯复合两种结构。研究发现阶梯复合结构的CPM组可同步优化电荷转换能力（形成Ppy导电网络）与抗炎性能（抑制星形胶质细胞激活），为神经疾病治疗与组织工程中电刺激技术的应用提供关键材料基础。

　　

在神经疾病治疗与组织工程领域，电刺激技术通过调控离子浓度和蛋白质吸附影响细胞行为，但其核心瓶颈在于电极界面性能的"双重矛盾"：导电材料（如聚吡咯Ppy）虽能提升电荷转换能力，却缺乏生物相容性；而细胞外基质(ECM)蛋白（如胶原Col）虽能抑制炎症反应，又会阻碍电信号传导。更严峻的是，植入式电极引发的星形胶质细胞过度激活会导致胶质瘢痕形成，直接导致电极失效。如何构建兼具高电导率与抗炎活性的智能界面，成为突破临床转化壁垒的关键科学问题。

浙江大学的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表的研究中，提出"结构导向型复合"的创新策略。通过对比均质混合法（CP1/CP2组）与阶梯复合法（CPL/CPM/CPH组）构建的Col/Ppy复合膜，首次揭示材料空间分布模式对电极性能的调控规律。研究采用电化学阻抗谱(EIS)量化界面电荷转移能力，结合钙离子荧光成像分析电刺激响应效率，并通过白细胞介素-6(IL-6)等炎症因子检测评估抗炎效果。

形态与组分分析
傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实两种方法均成功实现Col与Ppy的复合，但扫描电镜(SEM)显示阶梯复合结构的CPM组形成三维互联的Ppy导电网络，其电阻率较均质混合组降低2个数量级。X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示CPM组表面存在Col氨基与Ppy吡咯环的协同暴露。

电化学性能
在0.1 V/s扫描速率下，CPM组的电荷存储容量(CSC)达到8.7 mC/cm²，显著高于纯ITO电极（1.2 mC/cm²）。电刺激实验表明，CPM修饰电极诱导的钙离子振荡幅度较对照组提升300%，且波动周期与电脉冲频率高度同步，证实其优异的信号转导能力。

生物效应
细胞实验显示，所有复合膜组均表现出>90%的细胞存活率，但CPM组对星形胶质细胞的TNF-α分泌抑制率达68%，远超均质混合组（<30%）。机制研究表明，阶梯结构中的Col微域可特异性阻断NF-κB信号通路，而连续的Ppy网络则维持了电刺激所需的离子通道活性。

这项研究的意义在于确立了"功能分区"的复合材料设计原则：阶梯复合结构通过空间隔离实现了Col生物活性与Ppy导电性的最大化协同。CPM组在帕金森病模型动物中展现出长达8周的电信号稳定性，为开发下一代抗瘢痕神经电极提供了范式转变。该成果同时启示，在组织工程领域，类似结构策略可用于构建兼具电导率与成骨诱导活性的骨修复支架。文末作者特别指出，未来研究应关注复合界面在长期植入过程中的降解动力学与功能维持机制。