电化学技术具有很高的空间和时间分辨率,因此在记录体内化学信号方面取得了很大进展。使用钨丝、铂丝和金丝等金属电极的传统电化学传感器已被广泛用于监测大脑中的化学信号。然而,这些电极由于其硬度可能会引起免疫反应和信号漂移。最近,科学家开发了用于体内电化学记录的柔性电极材料,如水凝胶。虽然水凝胶具有更好的组织弹性匹配性,但目前的柔性电极很难自支撑地植入大脑,因此需要额外的辅助设备(如注射器)才能进入大脑深部区域,造成严重的物理损伤。此外,水凝胶的导电性差以及表面功能化方面的挑战也阻碍了基于水凝胶材料的体内电化学传感器在化学信号监测方面的发展。
华东师范大学田阳教授(点击查看介绍)团队近期创制了一种具有高生物相容性的自支撑植入式聚合物微电极(rGPF),实现了自由行为动物大脑中的Mg2+和Ca2+的同时监测和实时量化。通过在还原氧化石墨烯(rGO)中掺入了导电性聚苯胺(PANI),形成了直径约800 nm的rGPF超细电极。与传统的金属丝和碳纤维相比,rGPF表现出优异的生物相容性和最小的物理损伤,这归功于rGPF较低的杨氏模量。尽管直径较小,但它仍表现出足够的弯曲刚度,可直接自支撑植入小鼠脑深部区域,无需外部辅助装置,从而降低了额外物理损伤的风险(图1)。
图1. 自支撑柔性聚合物电极 rGPF 的设计和机械特性分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
另一方面,由于Mg2+和Ca2+在神经信号传导和突触可塑性中起着关键作用,该工作将它们作为研究模型,设计了一系列离子选择性配体,通过密度泛函理论(DFT)计算进行筛选。随后,合成了两种优化的特异性离子配体(MPETH-1 和 PPETH-5),高选择识别 Mg2+和Ca2+,并利用π-π堆叠相互作用自组装到电极表面,构建了Mg-E和Ca-E电化学传感器。Mg-E和Ca-E在识别Mg2+和Ca2+方面具有显著的选择性、良好的可逆性、快速的反应时间和90天连续测试的稳定性(图2)。
图2. Mg2+和Ca2+可逆探针的设计和Mg-E, Ca-E传感器的电化学性能。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
利用这一强大的工具,在体外4-氨基吡啶(4-AP)的诱导下,首次观察到Mg2+的变化先于Ca2+,以及 Mg2+对Ca2+内流的拮抗作用(图3)。此外,由于采用了无额外电流的电位测量法,Mg-E、Ca-E、内参比电极和电生理电极被集成到了一个微电极束中,可按需植入目标脑区而不会发生串扰。最终发现,癫痫发作时细胞外Mg2+和Ca2+的初始变化时间与神经通路相一致,在上游脑区添加Mg2+可抑制下游脑区的Ca2+流入和癫痫样放电活动(图4)。该结果被田阳教授团队首次报道。
图3. 实时监测细胞外Mg2+和Ca2+在4-AP作用下的动态变化。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
图4. 神经通路中Mg2+和Ca2+的体内追踪。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
小结
该研究为实时跟踪和量化大脑化学物质的动态变化开辟了新途径,展现了自支撑柔性聚合物电极在高生物相容性植入设备开发中的潜力。通过扩展优化策略,可设计更多配体识别多种神经化学物质,从而深入解析其对大脑功能和神经健康的影响。这一方法将推动脑机接口、神经科学及生物电子医学的发展,为揭示大脑事件与疾病机制提供新见解。相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。论文的第一作者为华东师范大学在读博士研究生王诗迪,论文的共同通讯作者为刘原东博士和田阳教授。该研究得到了国家自然科学基金、上海市教委创新计划、2022年上海市“科技创新行动计划”基础研究项目的支持。
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A Self-Supporting Flexible Electrode for Tracking and Reversible Quantification of Mg2+ and Ca2+ in the Brains of Freely Behaving Animal
Shidi Wang, Yuandong Liu*, Lin-Chun Peng, Wei Duan, Yousheng Shu, Yang Tian*
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202422602
导师介绍
田阳
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