韩国团队开发出可注射和可调降解的石墨烯基导电水凝胶

可植入生物电子是一种电子设备，可以通过向活体生物系统传输信号和从活体生物系统发送信号来监测或刺激生物活动。这样的器件可以使用各种材料和技术来制造。但是，由于它们与活体组织的密切接触和相互作用，选择合适的材料来实现性能和生物相容性至关重要。近年来，导电水凝胶由于其柔韧性、兼容性和优异的相互作用能力，作为生物电极材料受到了极大的关注。然而，传统导电水凝胶缺乏可注射性和可降解性，限制了其在生物系统中的使用便利性和性能。

在这种背景下，韩国的研究人员开发出了具有可注射性和可调降解性的石墨烯基导电水凝胶，进一步推动了先进生物电极的设计和开发。这项研究由光州科学技术学院的Jae Young Lee教授领导，并于2023年2月24日发表在《Small》期刊上。

Lee教授在解释他们研究的基本原理时说：“传统的可植入电极经常会导致几个问题，例如植入时切口大和体内不受控制的稳定性。相比之下，导电水凝胶材料允许微创递送和控制生物电极的体内功能寿命，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，因为其具有大的表面积和优异的电学和机械性能。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，以促进分别稳定和可水解的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，因此优于现有的各种ICH。在体外条件下（活体外），SICH在一个月内没有降解，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保持其形状长达7天。除了可控制降解性外，两种ICH都具有皮肤相容性。

此外，该团队评估了ICH在大鼠肌肉和皮肤中记录体内肌电图信号的能力。SICH和DICH都记录了高质量的信号，并超过了传统金属电极的性能。SICH记录可以监测长达三周，而DICH信号在五天后完全丢失。这些发现表明SICH电极适用于长期信号监测，DICH电极适用于不需要手术切除的临时使用。

Lee教授总结了这些结果， “我们开发的新型石墨烯基可注射导电水凝胶电极具有信号灵敏度高、使用简单、侵入性小和可调降解性等特点。总之，这些特性可以帮助开发先进的生物电子学和功能性植入式生物电子，用于各种医疗条件，如神经肌肉疾病和神经系统疾病。”

我们希望这一成果能很快开创一个治疗和诊断进步的新时代！

这项研究于2月24日发表在《small》期刊上。

doi:10.1002/smll.202300250