光州科学技术研究所研究人员开发出具有可调寿命的可注射生物电极

植入式生物电极是一种电子设备，可以通过向活生物系统传输信号来监测或刺激生物活动。此类装置可以使用各种材料和技术来制造。但是，由于它们与活组织的密切接触和相互作用，选择合适的材料以实现性能和生物相容性至关重要。近年来，导电水凝胶作为生物电极材料因其柔韧性、相容性和优异的相互作用能力而受到广泛关注。然而，传统导电水凝胶缺乏可注射性和可降解性，限制了它们在生物系统中的使用便利性和性能。

在此背景下，韩国研究人员现已开发出具有可注射性和可调节降解性的石墨烯基导电水凝胶，进一步推进了先进生物电极的设计和开发。该研究由光州科学技术学院 (GIST) 的Jae Young Lee教授领导，并于2023 年 2 月 24 日发表在Small期刊上。

李教授在解释他们研究的基本原理时说：“传统的植入式电极经常会引起一些问题，例如植入切口大和体内稳定性不受控制。相比之下，导电水凝胶材料可以微创输送并控制生物电极的具有功能性的体内寿命，因此非常受欢迎。”

为了合成可注射导电水凝胶(ICH)，研究人员使用硫醇功能化的还原氧化石墨烯(F-rGO)作为导电成分，因为它具有大的表面积和优异的电气和机械性能。他们选择二马来酰亚胺 (PEG-2Mal) 和二丙烯酸酯 (PEG-2Ac) 官能化聚乙二醇作为预聚物，以分别促进稳定和可水解的 ICH 的开发。然后将这些预聚物与聚(乙二醇)-四硫醇(PEG-4SH)和F-rGO进行硫醇-烯反应。

用 PEG-2Ac 制备的 ICH 是可降解的 (DICH)，而用 PEG-2Mal 制备的 ICH 是稳定的 (SICH)。研究人员发现，新型 ICH 与组织的结合非常好，并记录了最高的信号，因此优于各种现有的 ICH。在体外条件下(活生物体之外)，SICH 在一个月内不会降解，而 DICH 从第三天开始逐渐降解。

当植入小鼠皮肤时，DICH 在给药三天后消失，而 SICH 则保持其形状长达 7 天。除了可控的降解性外，两种 ICH 均具有皮肤相容性。

此外，研究小组还评估了 ICH 记录大鼠肌肉和皮肤体内肌电信号的能力。SICH和DICH都记录了高质量的信号，并且超越了传统金属电极的性能。SICH 记录可以监测长达三周，而 DICH 信号在五天后就完全丢失。这些发现表明 SICH 电极适用于长期信号监测，而 DICH 电极适用于临时使用，无需手术切除。

李教授总结这些结果时说：“我们开发的新型石墨烯基 ICH 电极具有信号灵敏度高、使用简单、侵入性极小和可调节降解性等特点。总而言之，这些特性可以帮助先进生物电子学的发展以及用于各种医疗状况的功能性植入生物电极，例如神经肌肉疾病和神经系统疾病。”