浙大张韶岷、南洋理工陈晓东：聚乙二醇化丝素蛋白/可拉伸透明水凝胶电极，用于体内双模式神经血管活动探测

文章来源：北科新材浏览次数：5639时间：2021-07-23 QQ学术交流群：1092348845

【摘要】

形成无缝接触并能够在电极-大脑界面进行光学询问的透明电极对于神经科学研究具有潜在的重要意义。由于其优异的生物相容性，丝水凝胶可以为透明神经界面提供理想的平台。然而，传统的丝水凝胶太弱，难以与高导电和可拉伸的电子设备集成。

最近，浙江大学张韶岷研究员、南洋理工大学陈晓东教授团队报道了一种基于聚 (3,4-乙撑二氧噻吩): 聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS) 和聚乙二醇化丝蛋白的透明且可拉伸的水凝胶电极。带有聚（乙二醇）二缩水甘油醚 (PEGDE) 的聚乙二醇化丝蛋白将杨氏模量提高到 1.51–10.73 MPa，拉伸性从传统的丝水凝胶 (<10 kPa) 提高到 400%。聚乙二醇化丝还有助于与 PEDOT:PSS 薄膜形成坚固的界面，使水凝胶电极协同结合卓越的拉伸性 (≈260%)、稳定的电气性能 (≈4 个月) 和低薄层电阻 (≈160 ± 56 Ω)平方-1）。最后，电极促进了有效的电记录，并展示了无障碍光学询问和大鼠脑成像的刺激。高度透明且可拉伸的水凝胶电极为神经科学提供了实用工具，并为协调组织-电极界面铺平了道路。相关论文以题为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。

【主图导读】

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) 显示加入 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 和 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，来自丝的 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。

图2 PSF 的分子表征、机械性能和分子动力学模拟。a) 不同重量比PEGDE 处理的丝绸的FTIR 光谱显示醚部分，b) 含有不同PEGDE wt% 的PSF 在水下的杨氏模量（黑色曲线）和拉伸性（玫瑰红色曲线）。c) 在含和不含蛋白酶 XIV (1 U mL^-1) 的 PBS 溶液中的原始 SF 和 10 wt% 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。

图3 P-PSF 电极在潮湿环境中的电性能。a) 在水下测量的聚乙二醇化 SF (P-PSF)、PDMS (P-PDMS) 和 SEBS (P-SEBS) 上 PEDOT:PSS 电阻的相对变化。b) P-PSF、Pt-SEBS 和 Au-SEBS在低频区域在 PBS 溶液中的阻抗和相位比较。c) P-PSF 在 10% 和 30% 应变下的循环拉伸表明电极可以耐用超过 900 次循环。d) P-PSF 和 P-SEBS 在 1 × PBS 溶液中孵育 4 个月的 100 Hz的阻抗测量表明 P-PSF 高度稳定，而 P-SEBS 显示出八倍的增加。

图4 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，通过我们在大鼠大脑上的透明电极传送的激光（绿色）激活染料以诱发急性中风。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。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。

图5 通过 P-PSF 和 Au-SEBS 电极进行电刺激后脑血管的光学成像和脱氧 Hb 的测量。a) 示意图显示神经元的刺激导致正常功能大鼠中激活的脑血管活动的耦合。b) 我们的 P-PSF 电极在大鼠大脑神经血管系统上的 OCTA 图像。c) P-PSF 和 Au-SEBS 电极使用 15 ms 电流脉冲宽度刺激后脑血管中脱氧-Hb 的相对变化的代表性曲线。d) 到达时间 (ToA) 和上升时间的统计分析使用 P-PSF 和 Au-SEBS 电极刺激脑血管。
【总结】

该团队报告了一种由 PSF 和 PEDOT:PSS 制成的高度透明、可拉伸且稳定的水凝胶电极。该电极有助于对脆弱脑组织的神经活动进行有效的电学和光学测量。丝素蛋白的聚乙二醇化能够与薄膜 PEDOT:PSS 形成坚固的界面。这种结构使我们的电极透明、可拉伸和电子稳定，具有高导电性和可图案性。团队将电极应用于大鼠神经血管系统，并表明该电极的透明、低阻抗和适应性与光学技术配合良好，可以对神经血管活动进行时间测量。这种结合电生理学和光学功能的电极是非常理想的，希望它能够广泛用于神经科学研究和临床应用。未来，射频阅读器的集成将进一步实现无线信号传输和电力传输。

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