浙江大學張鵬研究員AM：開發免疫兼容導電水凝膠,為植入式生物電子器件搭建“橋梁”

植入式生物電子器件正在深刻改變我們感知、調節和修復神經肌肉功能的方式，然而其長期穩定性仍是制約其臨床應用的核心難題。盡管現代器件能夠以高精度與大腦、脊髓和周圍神經形成界面，但其剛性結構與柔軟復雜的組織微環境之間存在顯著的機械-生物學不匹配。這種不匹配表現為微運動引起的組織損傷、模量差異導致的持續性炎癥以及材料本身免疫原性引發的免疫反應，共同導致信號質量下降和器件壽命縮短。如何實現組織與電極之間穩定、長期的界面整合，成為生物電子醫學領域的重大挑戰。

浙江大學張鵬研究員團隊提出了一種名為SSPH的免疫兼容、可注射導電水凝膠橋，可通過微創注射實現穩定的組織整合。該水凝膠由PEDOT:PSS和兩性離子聚合物聚磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（PSBMA）通過陰離子-π相互作用、靜電相互作用和PEDOT富集納米結構自發共組裝形成三維網絡。這種自修復結構使SSPH在形變后仍能保持其固有的導電通路。實驗證實，SSPH具有穩定的電化學性能和良好的免疫相容性。在急性肌肉損傷模型中，SSPH能夠恢復損傷區域的信號傳導；在肌電記錄和脊髓刺激模型中，SSPH可在長達四周的時間內保持電極性能，支持穩定的雙向信號傳導。相關論文以“An Immunocompatible Conductive Hydrogel Via Anion-π Interlocking as an Injectable Bridge for Sustained Bioelectronic Interfacing”為題，發表在Nature Communications上。

示意圖1 可注射組織橋（SSPH水凝膠）的設計及其界面應用。（a）（i）PEDOT:PSS和PSBMA的化學結構。（ii）示意圖顯示注射的SSPH水凝膠對組織缺損的適形填充。（iii）SSPH與其他已報道的可注射導電水凝膠在可注射性、電化學穩定性、抗溶脹性、機械順應性和免疫相容性方面的比較。（iv）SSPH水凝膠凝膠化機理示意圖：SSPH網絡通過PEDOT:PSS和PSBMA之間的協同相互作用形成，包括（1）陰離子-π相互作用，（2）靜電結合，以及（3）PEDOT鏈間的π-π堆疊和疏水相互作用。（b）植入式生物電子器件誘導的免疫反應及可注射SSPH水凝膠的界面整合示意圖。植入式生物電子器件常引起急慢性炎癥，導致膠質瘢痕或纖維包封，增加阻抗并減弱信號傳輸。相反，可注射SSPH水凝膠可通過微創方式原位遞送，在電極和組織之間形成適形界面，提供無縫填充和穩定接觸，同時有效減少炎癥，最小化纖維化，并維持低阻抗、雙向的電通信。

SSPH水凝膠的制備過程極為簡便，僅需將商品化的PEDOT:PSS溶液與PSBMA溶液按1:1體積比機械混合，即可在數秒內形成粘彈性水凝膠。流變學研究表明，隨著PSBMA濃度的增加，水凝膠的彈性模量相應提高，這歸因于更高密度的物理交聯點和聚合物鏈纏結。值得注意的是，SSPH水凝膠表現出顯著的剪切變稀特性和自修復能力——在高應變下網絡結構被破壞后，一旦應變釋放，其彈性能夠迅速恢復。這種特性賦予了SSPH優異的可注射性，即使固含量高達20%，注射力仍低于20牛頓，使其能夠輕松注入不規則組織缺損部位并緊密貼合曲面界面。

圖1 SSPH水凝膠的流變性能和可注射性。（a）從PEDOT:PSS和PSBMA溶液制備SSPH水凝膠過程的照片。（b）不同PSBMA濃度制備的SSPH水凝膠在混合過程中的儲能模量和損耗角正切。（c,d）SSPH水凝膠的振蕩剪切流變學，顯示應變依賴行為和頻率依賴行為。（e）SSPH水凝膠在交替大應變和小應變下的階躍應變測試。（f）SSPH水凝膠的粘度和剪切變稀行為。（g）不同PSBMA含量的SSPH水凝膠使用26G針頭在20 mm/min注射速度下的注射力。（h）可注射性和適形適應性演示：（i-ii）沿曲面界面注射，（iii-iv）模擬組織腔內的適形填充，（v）SSPH水凝膠通過23G針頭擠出用于直寫。

深入探究其凝膠機理發現，SSPH的形成依賴于PEDOT:PSS與PSBMA之間的多重非共價相互作用。研究表明，凝膠化主要源于PSBMA與PSS之間的相互作用，而PEDOT則進一步強化了網絡結構。通過設計不同電荷構型的聚合物進行對比實驗，證實凝膠形成依賴于PSBMA的兩性離子結構與PSSNa的芳香族磺酸基團之間的特異性相互作用，而非簡單的離子相互作用。研究團隊提出了陰離子-π-陽離子相互作用（簡稱“陰離子-π相互作用”）與靜電相互作用的協同機制：PSBMA上的磺酸陰離子與PSS側鏈的苯環及體系中的陽離子通過電子云相互作用形成陰離子-π-陽離子互鎖結構，同時PSBMA的季銨陽離子與PSS的磺酸陰離子之間形成靜電相互作用。理論計算進一步揭示了體系中存在豐富的弱吸引相互作用，共同維持網絡結構。

圖2 SSPH水凝膠的凝膠化機理。（a）PSBMA與PEDOT、PSSNa或PEDOT:PSS混合形成的混合物的振蕩流變性質。（b）PSBMA-2、PSBMA-3和PSBMA-4代表陽離子和陰離子基團之間具有不同間隔長度的兩性離子聚合物。PMTAC是僅含季銨陽離子的聚合物，而PSAPS僅含磺酸陰離子。PVAS具有與PSSNa相似的結構但缺少芳香環。（c）不同聚合物混合形成的混合物的振蕩流變性質。（d）陰離子-π相互作用和離子相互作用的互鎖結構機理圖。（e）PSBMA-2、PSBMA-3和PSBMA-4與PSSNa形成的水凝膠的振蕩流變性質。（f）PSBMA與PSSX形成的水凝膠的振蕩流變性質。（g）等溫滴定量熱實驗中PSBMA溶液滴加到PEDOT:PSS溶液中的歸一化積分熱。（h）PEDOT:PSS和SSPH2水凝膠的拉曼光譜。（i）PEDOT:PSS與PSBMA混合的紫外-可見光譜。（j）SSPH2的原子力顯微鏡圖像。（k）PEDOT:PSS和不同PSBMA含量的PEDOT:PSS/PSBMA水凝膠的SAXS圖譜。（l）約化密度梯度與電子密度乘以第二Hessian特征值符號的散點圖。

在電學性能方面，SSPH水凝膠展現出優異的導電性和電化學穩定性。含10wt.% PSBMA的水凝膠離子電導率達到0.5 S/m，電子電導率約為0.1 S/m，與天然軟組織相當。經過1000次循環伏安掃描后，電荷儲存容量下降不足10%；經過10萬次充放電循環后，電荷注入容量變化保持在3%以內。在37°C儲存28天后，電化學阻抗譜未見明顯變化，表明其優異的長期穩定性。值得關注的是，即使經過多次注射或通過不同規格針頭擠出，水凝膠的電阻保持恒定，充分證明了其在形變條件下的電學穩定性。

圖3 SSPH水凝膠的電學性能和電化學穩定性。（a）不同PSBMA含量的SSPH水凝膠的離子電導率和電子電導率。（b）不同PSBMA含量的SSPH水凝膠的電化學阻抗譜。（c）SSPH2水凝膠在1000次循環伏安掃描中的循環伏安曲線。（d）SSPH2水凝膠在100000次充放電循環中的電壓響應。（e）從(c)中計算得出的電荷儲存容量變化。（f）從(d)中計算得出的電荷注入容量變化。（g-j）SSPH2水凝膠在37°C PBS中儲存28天期間的電化學穩定性：（g,h）第0、7、14、21和28天的EIS譜圖；（i）電荷注入容量；（j）CIC保留率。（k）SSPH2水凝膠重復注射三次前后的電化學阻抗譜。（l）SSPH水凝膠通過不同規格針頭擠出后的纖維電阻。（m,n）SSPH2水凝膠纖維在不同應變下的電阻變化（m）和100%應變下循環拉伸-釋放過程中的電阻滯后（n）。

免疫相容性評估顯示，SSPH水凝膠具有良好的細胞相容性，與L929成纖維細胞共培養72小時未見細胞增殖抑制。在小鼠皮下注射模型中，與傳統PEDOT:PSS水凝膠相比，SSPH組在14天時炎癥相關蛋白表達顯著降低，28天時膠原包膜密度約為對照組的二分之一，巨噬細胞和T細胞浸潤明顯減少，證實其顯著降低的免疫原性。

圖4 SSPH2水凝膠的免疫相容性。（a）與SSPH2水凝膠培養24、48和72小時的成纖維細胞活力，歸一化至24小時PBS對照組的活力。（b）在不同時間點與PBS和SSPH2水凝膠孵育的成纖維細胞的活/死染色（綠色：活細胞；紅色：死細胞）。（c,d）植入兩周后的急性炎癥反應評估。對炎癥標志物進行的免疫組化染色顯示在(c)中，定量分析在(d)中。（e,f）在(e)中顯示SSPH2和DSPH水凝膠植入物周圍切除組織的組織學和免疫熒光評估；在(f)中呈現植入物-組織界面膠原包膜密度的定量分析。組織學圖像中的星號表示植入物的原始位置。

在神經肌肉信號傳導實驗中，將SSPH水凝膠注入大鼠坐骨神經周圍并將刺激電極插入水凝膠中，成功誘導出后肢收縮，且收縮模式與刺激信號高度吻合，表明水凝膠能夠準確傳遞神經信號而無明顯信號損失。在脛骨前肌橫斷模型中，隨著SSPH填充缺損部位，記錄的肌電信號振幅逐漸恢復，最終接近完整肌肉水平。在為期四周的慢性肌電記錄實驗中，SSPH保護的電極信號噪聲比下降幅度明顯小于裸電極組，組織學分析顯示其周圍纖維包膜顯著變薄。

圖5 SSPH2水凝膠用于神經肌肉信號橋接和增強長期EMG電極性能的評估。（a）刺激信號傳輸實驗示意圖。暴露大鼠坐骨神經，在橫斷的神經部位注射5-10 μL SSPH2水凝膠并連接刺激電極。作為對照，將裸雙極鉤狀電極直接接觸坐骨神經進行信號傳輸。（b,c）不同刺激電壓下SSPH2處理和裸電極組踝關節角位移的定量分析；每秒腿部振動次數作為刺激頻率的函數圖。插圖為連續刺激下代表性的腿部時序響應。（d）急性刺激和記錄裝置示意圖，其中SSPH2水凝膠橋接橫斷的肌肉以恢復刺激電極和記錄電極之間的信號傳輸。（e-g）在容積性肌肉缺損模型中注射和橋接SSPH2水凝膠的照片；通過SSPH2水凝膠填充缺損后電刺激誘發的EMG振幅；在不同刺激電壓下，來自未損傷組、損傷未治療組和SSPH2水凝膠治療組大鼠記錄的EMG振幅。（h）慢性植入實驗示意圖，其中SSPH2水凝膠橋接EMG電極和肌肉用于長期EMG信號記錄。（i-k）植入后28天內從表面電極、裸Pt電極和SSPH2/Pt電極記錄的EMG信號的信噪比；第0天和第28天記錄的代表性EMG波形；植入28天后裸電極和SSPH2/Pt電極周圍組織切片的代表性Masson三色染色圖像。

在脊髓刺激治療神經病理性疼痛的模型中，SSPH水凝膠同樣展現出顯著優勢。在坐骨神經損傷模型大鼠中，植入SSPH保護電極的實驗組在28天的觀察期內，電極阻抗和運動閾值上升幅度明顯低于對照組。行為學測試表明，隨著植入時間延長，裸電極組的鎮痛效果逐漸減弱，而SSPH組在21天時仍能維持穩定的鎮痛效果。組織學分析顯示，裸電極周圍形成致密增厚的纖維包膜，并引發明顯的巨噬細胞、星形膠質細胞和小膠質細胞浸潤，而SSPH保護電極顯著減輕了這些炎癥反應。

圖6 SSPH2/Pt SCS電極在SNI模型中的長期性能和鎮痛效果。（a）（i）SNI模型中SCS電極植入示意圖。將SSPH2水凝膠注入L4-L6硬膜外腔，隨后植入電極進行電刺激以緩解神經病理性疼痛；（ii）實驗時間線顯示SNI手術、電極植入和SCS治療計劃；（iii）單次30分鐘SCS過程的示意圖。（b）實驗組和對照組電極在不同時間點的阻抗。（c）電極植入后刺激運動閾值隨時間的變化圖。（d,e）在第0、7、14和25天，30分鐘SCS前后測量的大鼠PWT；單次SCS前后（0–60分鐘）PWT的變化。（f）植入后不同時間點，30分鐘SCS前后大鼠對丙酮誘導的冷刺激的反應時間百分比。（g）裸電極和SSPH橋接電極植入后硬膜外組織反應的組織學和免疫熒光分析。使用CD68、GFAP和IBA1染色評估局部炎癥細胞浸潤。（h）植入電極周圍膠原厚度的定量分析。

小結：這項研究開發的SSPH可注射橋，通過陰離子-π相互作用驅動，在植入式生物電子器件與生物組織之間構建了一個穩定、相容且順應性良好的界面，能夠在長期植入中保持穩定的性能。水凝膠網絡中，PSS與PSBMA之間的陰離子-π相互作用促進凝膠形成，離子相互作用和疏水相互作用進一步強化三維網絡。得益于互穿網絡之間的多重相互作用，該水凝膠展現出良好的可注射性、與組織匹配的機械順應性、電化學穩定性和免疫相容性。當應用于組織-器件界面時，SSPH水凝膠能夠實現有效的組織整合和幾乎無損耗的生理電信號傳遞。最終，這種可注射橋有效減少了剛性器件與軟組織之間模量不匹配引起的炎癥和組織損傷，減輕了免疫介導的纖維包封，為組織與植入式生物電子器件之間的長期穩定通信提供了新策略。