用于神经生物电子界面的酶促聚合聚乙二醇化导电聚合物软电极

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Enzymatically Polymerized Glycolated Conductive Polymers as Soft Electrodes for Neural Bioelectronic Interfaces

　　

有机生物电子学（organic bioelectronics）依赖于能够在离子型生物环境与电子器件之间实现高效信号转导的材料。导电聚合物（conducting polymers, CPs）由于兼具混合离子–电子导电性、力学顺应性与化学可调控性，在此领域备受关注。其中，双（乙烯二氧噻吩）–噻吩（bis-ethylenedioxythiophene-thiophene, ETE）基聚合物可在低氧化电位和水溶性条件下，通过温和的酶促反应原位合成，从而实现与生物体系无缝、无基底的结合。本研究比较了仅在ETE核心与末端羧基之间是否存在三乙二醇（triethylene glycol, 3TEG）侧链的两种聚合物，探讨了亲水性侧链工程对ETE基聚合物物理化学、电化学与生物学性能的影响。结果显示，聚乙二醇化使薄膜的水化程度与表面粗糙度提高，而弹性模量未呈现可测变化，提示分子有序化与离子交联之间存在竞争效应。在神经元细胞模型中，聚乙二醇化聚合物表现出显著增强的细胞相容性与细胞黏附能力，可能源于其增大的表面粗糙度与基质形貌。通过联合电化学石英晶体微天平耗散监测（electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation monitoring, EQCM-D）、操作态紫外–可见近红外光谱（in-operando UV–vis–NIR spectroscopy）和电化学原子力显微镜（electrochemical atomic force microscopy, EC-AFM），研究人员将离子输运、溶胀行为与纳米力学响应相关联，揭示了聚乙二醇化聚合物更强的电化学诱导溶胀。最后，将两种聚合物作为有源沟道材料用于有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor, OECT）时，二者性能相当，但聚乙二醇化聚合物的循环稳定性略有下降。这些发现凸显了侧链聚乙二醇化引入的复杂权衡，并为酶促合成的导电聚合物在生物电子界面中的应用提供了设计准则。

生物电子器件需要在离子导电的生理环境和电子器件之间建立低阻抗、高保真度的信号转导界面。导电聚合物因兼具离子和电子双模态输运能力、低硬度以及可化学修饰的骨架，被认为是神经电极、生物传感器和生物执行器等应用的核心材料。其中，ETE基聚合物（这里的ETE指3,4-乙撑二氧噻吩–噻吩–3,4-乙撑二氧噻吩结构）具有低氧化电位和水溶性，可在生理条件下借助辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase, HRP）/H₂O₂体系原位酶促聚合，形成与组织无缝贴合、无需刚性支撑的界面。本论文发表于《ACS Applied Materials》，围绕侧链亲水化修饰展开，比较了p(ETE-C)与p(ETE-3TEG-C)两种仅在ETE核心与末端羧基之间相差一个三乙二醇间隔臂的聚合物，系统阐明了侧链聚乙二醇化对材料本征性质、界面生物学行为及器件性能的调控规律。

研究人员开展的研究首先通过EQCM-D原位监测聚合物在金表面的酶促生长过程，结果发现p(ETE-3TEG-C)的聚合速率显著低于p(ETE-C)，最终沉积质量和聚合产率也较低，这可能是由于亲水且空间位阻较大的3TEG侧链妨碍了单体紧密堆积与链增长。尽管如此，两种聚合物的ΔD/Δf斜率相同，说明成膜过程中的黏弹性响应相近。AFM形貌表征显示p(ETE-C)形成致密、颗粒细小的表面，在空气和PBS中粗糙度几乎不变；而p(ETE-3TEG-C)在空气中呈较大聚集体，浸入PBS后粗糙度明显增大，表明水化基质发生了溶胀与重构。力学测试显示二者在空气和0.1 M NaCl中的杨氏模量均处于数兆帕量级，且差异不显著，说明3TEG引入并未以牺牲力学稳健性为代价。

在细胞—聚合物界面研究中，研究人员使用源自大鼠背根神经节与小鼠神经母细胞瘤N18TG2融合的F11神经元细胞系评估材料的细胞相容性与黏附能力。AlamarBlue代谢活性实验及活/死染色显示，p(ETE-3TEG-C)在48小时后相对于24小时的代谢活性最高，甚至优于常用的多聚赖氨酸（PDL）包被对照，且细胞死活染色显示存活率高达98.0%。共聚焦显微镜进一步显示p(ETE-3TEG-C)表面附着的细胞密度显著更高，这可能与其表面粗糙度增加和柔软的基质形貌有关，二者均有利于神经元黏附和增殖。

为理解电化学氧化还原过程中的离子与质量变化，研究人员结合EQCM-D、操作态UV–vis–NIR光谱和EC-AFM进行了多尺度表征。循环伏安（CV）测试显示两种薄膜在PBS中主要呈现电容行为，但EQCM-D的质量曲线伴随明显的氧化收缩、还原溶胀现象。p(ETE-3TEG-C)质量调制幅度显著更大，还原态相对质量变化达到约22%，远高于p(ETE-C)的约3.5%，同时原位UV–vis–NIR光谱表明p(ETE-3TEG-C)在相同电位下具有更高的极化子吸收和掺杂指数。EC-AFM显示二者在循环过程中的杨氏模量变化趋势一致：氧化态变硬、还原态变软，且模量值仍处于相近的兆帕范围，进一步证实聚乙二醇化可在不显著牺牲力学性能的前提下，大幅提升电化学可及体积和离子/水分子交换能力。但p(ETE-3TEG-C)基线在循环过程中逐渐上升，提示可能存在部分水和离子在聚合物网络中的不完全可逆滞留，导致结构的逐步塑化和循环稳定性下降。

在OECT器件性能评价中，两个聚合物均呈现积累模式运行，最大跨导出现在相近栅压区间，电化学阻抗谱也显示二者具有相似的离子/电子耦合特性。然而，未引入聚赖氨酸（poly-l-lysine, PLL）黏附层的器件循环稳定性较差；加入PLL后，p(ETE-C)基OECT的循环稳定性显著提升，而p(ETE-3TEG-C)基器件仍表现出略差的循环稳定性，这与其在电化学工作条件下的较大溶胀一致。

主要技术方法简要概括为：在镀金基底上通过HRP/H₂O₂体系进行表面引发酶促聚合；利用EQCM-D实时追踪成膜及氧化还原下的质量/耗散变化；联用操作态UV–vis–NIR光谱计算掺杂指数；采用EC-AFM获取薄膜形貌与电化学态依赖的纳米力学性能；以F11神经元细胞系进行AlamarBlue和Calcein AM/EthD-1活/死染色评估；并制备以PLL为黏附层的OECT器件，表征其电化学阻抗、转移曲线及脉冲循环稳定性。

本研究建立的结论指出：侧链聚乙二醇化提高了ETE基共轭聚合物的薄膜水化程度、表面粗糙度、离子可及性和电化学可及体积，从而增强了神经元细胞黏附与增殖，同时不会显著改变杨氏模量；由于3TEG侧链促进了水和溶剂化离子的进入与部分滞留，材料呈现出更大的电化学诱导溶胀，并在OECT脉冲循环中表现出略低的稳定性。综合来看，这些结果为面向神经生物电子界面的酶促合成导电聚合物提供了兼顾电化学活性、力学柔顺性与生物学相容性的设计原则。