导电聚合物装置在生命科学中的应用

 

   

   

Leslie H. Jimison1, Dion Khodagholy1, Thomas Doublet1,2,
Christophe Bernard2, George G. Malliaras1, and Róisín M. Owens1
1Department of Bioelectronics, Ecole Nationale Supérieure des Mines
CMP-EMSE, MOC, 880 route de Mimet, 13541 Gardanne, France (www.bel.emse.fr)
2Institut de Neurosciences des Systèmes, Inserm UMR1106,Aix-Marseille Université
Faculté de Médecine, 27 Boulevard Jean Moulin, 13005 Marseille, France

 

介绍

导电聚合物在生物界面的应用是有机电子学研究中一个令人兴奋的新趋势。1-3 有机生物电子学的新兴领域涉及有机电子装置(如电极和晶体管)与生物系统的偶联,试图桥接生物与非生物界面。导电聚合物具有许多独特的特性,使其可以很好地与生物体系相结合:

  1. 电子和离子电荷载体的混合传导是与生物系统发生通讯的主要优势,而生物系统严重依赖于离子通量。
  2. 导电聚合物与缺乏原生氧化物和悬挂键的电解质溶液可形成理想的界面
  3. 这些通过范德瓦尔键合的固体具有“柔软”的机械性能,能够更好地匹配大多数生物组织的机械性能,从而使得在植入装置中具有较低的机械错配
  4. 与其他用于导电聚合物的应用一样,这些材料的溶液处理有利于制造的简易性和独特的形状因子。
  5. 在设计灵活的装置或廉价的一次性传感器时,溶液的可处理性变得尤为重要。这些特点结合起来为电子学与生物学的连接提供了一个新的解决办法,更重要的是解决了与生物诊断和生物功能障碍治疗相关的问题。
  6. 在此我们讨论两个生命科学界面导电聚合物的例子,展示这些材料的多功能性和多功能性。首先是导电聚合物电极的开发可提供高质量的大脑活动记录。电极采用高度整合的阵列制造,可以与大脑表面亲密接触。其次介绍了一种基于细胞的有机电子传感器,在这种传感器中,活体组织将作为针对一系列毒素的广泛的第一道防线。该传感器可直接用于诊断和了解药物转运的机制。
 

聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):生物电子学中的聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)

由于聚合物合成的多功能性,现在已经存在多种导电聚合物系统。近年来,PEDOT:PSS已成为生物电子学领域的明星材料。p-共轭赋予了PEDOT半导体的性质,而PSS可充当p-型掺杂剂并将室温电导率提高至很高的水平(100S/cm,适当的优化后甚至最高可达到1,000 S/cm)。在这篇文章所具的两个例子都是基于现已商品化的PEDOT:PSS水分散体(Aldrich货号739332739324739316768642)。

 

图1. PEDOT+和PSS的化学结构。PSS链上的固定负电荷可由PEDOT链上存在的极化子所平衡,从而提高了电子电导率。

 

应用于大脑活动的记录

与活体组织存在交互的电子装置已成为医疗系统改善诊断和治疗的必需手段。一个显著的例子便是脑电图(ECoG)电极阵列,其越来越多地用于在某些类型的脑手术(例如肿瘤)之前用于认知过程的功能映射,达到诊断目的(例如癫痫症)5和大脑-机器之间的交互,作为帮助严重活动障碍人士的辅助技术。这些电极必须符合大脑的曲线形状并形成高质量的电触点。而传统一般是使用具有金属电极的聚合物材料薄片用于此目的。7

我们的研究小组采用微制造技术,制备了带有导电聚合物电极的ECoG阵列。该电极的微型图如图2A所示。该阵列由聚对亚苯基二甲基基底、金接触焊盘和互连通道以及聚对二甲苯绝缘体所组成。通过将PEDOT:PSS膜沉积在绝缘层中的适当孔中以作为电极。阵列的总厚度为4 um,但电极的阵列具有足够的机械强度以自我支撑并由可进行操纵。图2B展示了整合至小叶片中脉的阵列微型图。

将阵列放置在麻醉大鼠的躯体感觉皮层上。在加入荷包牡丹碱(Sigma货号14340)后进行记录,而这是一种可产生模拟痫棘突的尖波事件的GABAA受体拮抗剂。该记录可通过可植入的商品化电极得到验证。图2C展示了来自PEDOT:PSS电极记录的电能图谱,具有ECoG图谱典型的1/f属性并具有明显的1–10 Hz和30 Hz频段。这些频段在由荷包牡丹碱出发的尖波事件中占据主导。值得注意的是,相似尺寸的电极并不会产生同样的记录,因为条目的交互阻抗大的多。因此,PEDOT:PSS电极比传统的金属电极具有更好的性能,凸显了在高度整合的电极阵列结构中插入导电聚合物的重要性。

 

Micrograph of the array showing a detailed view of three electrodes

图2 A) 详细展示了三种电极的阵列微型图。B) 与小叶片中脉相整合的电极阵列。C) 通过PEDOT:PSS电极示范记录的电能图谱。蓝色箭头指示的是1–10 Hz和30 Hz频段。

 

应用于全细胞生物传感器

我们已经展示了屏障组织与有机电化学晶体管(OECT)的直接整合。结果产生的是可用于以高灵敏度和时间分辨率进行屏障组织完整性原位监控的基于细胞的传感器。10屏障组织是有紧密堆叠的表皮细胞层所组成的,如身体内的胃肠道和血脑屏障。作为防御的第一线,这些细胞层可帮助对毒素和病原体的流入进行阻拦,但可以允许离子、水和营养素的通过。屏障组织施加如此高度调节的运输的能力源于相邻细胞之间边界处蛋白质复合物的存在,如紧密连接(TJ)和粘附链接(AJ)。11 当这些细胞间的连接被破坏后,所调节的转运也会受到影响。因此,屏障组织完整性的破坏通常都会是毒素和病原体存在的标志。在这里所呈现的工作使用的是来自人类结肠癌的Caco-2细胞系(Sigma货号86010202)。在透过膜上进行生长时,这些细胞会分化成合适的体外胃肠道模型,并具有固化的连接蛋白、对微量分子的低通透性以及高跨上皮电阻(TER)的特征。12

这里所展示的传感器依赖于有机电化学晶体管(OECT)的操作机制。13 OECT是有导电聚合物(PEDOT:PSS)通道与电极质(在这里就是细胞培养基)相接触而生成。将栅电极(Ag / AgCl)浸入电解质中,并且在晶体管通道的任一侧处的源极和漏极触点测量漏极电流(ID)。在施加正栅极电压(VG)时,来自电解质的阳离子会漂移到PEDOT:PSS通道中,对导电聚合物进行去掺杂并降低漏极电流(ID)。从电解质到聚合物膜中的离子通量决定了漏极电流变化的速度。如图3A所示,通过将细胞层整合到OECT结构中,瞬时OECT行为与穿过屏障组织的离子通量直接相关。较低的离子通量将会导致更慢的ID反应,反之亦然。因此,屏障组织完整性的变化会从ID的瞬时反应变化中体现出来。

 

Architecture of an OECT integrated with barrier tissue layer; tissue is supported on a permeable membrane

图3 A)OECT与屏障组织层整合的结构;组织在可透过的膜上得到支持。右边的示意图展示的是紧密排列的上皮细胞与可调节转运的连接蛋白。B)OECT的特征,展示的是VG脉冲(顶部)和均一化的漏极电流,ΔI/Io (底部),分别是正常细胞(蓝色实线)和没有细胞(黑色虚线)时。由屏障组织层存在而引起的离子通量下降减缓了仪器的反应时间(VG = 0.3 V)。C)在乙二醇-双(2-氨基乙基醚)-N,N,N',N'-四乙酸(EGTA)不同浓度下的由OECT调节而计算出的均一化反应(NR)。EGTA在0时间点时加入。NR=0代表当正常屏障层存在时观察到的调节,而NR=1代表当屏障属性被破坏时观察到的调节:从0-1的变化代表着屏障组织的破坏过程。

 

我们使用了OECT屏障组织传感器来监控乙二醇-双(2-氨基乙基醚)-N,N,N',N'-四乙酸(EGTA)这种钙螯合剂对于屏障组织完整性的影响(Sigma货号E388903777)。细胞间存在的连接蛋白复合物本质上是动态的:细胞外环境的变化,包括钙浓度,会影响它们的组装和功能。当细胞外钙水平过低时,一些连接蛋白被内化。14 EGTA在之前已经显示出对细胞外环境可进行有效修饰,导致穿过屏障组织的细胞旁扩散增加。15 在将1mM EGTA引入屏障组织层的基底外侧时,我们观察到的OECT响应变化可忽略不计,表明屏障性质并没有发生改变。加入10和100mM EGTA后,我们观察到了一种浓度依赖性的效应,存在有100mM EGTA时屏障的完整性可在45分钟内被破坏。通过OECT传感器,我们能够以30秒的增量来监控这种影响的演变。 相应的结果可采用更传统的终点表征方法来进行验证,包括连接蛋白的免疫荧光染色、通过性测定和电阻抗谱(数据未展示)。OECT传感器的灵敏度等于或大于这些已建立的表征技术,并可从极高的时间分辨率中受益。此外,简易的制造和设备操作为创造性开展大规模诊断筛查和体外模型开发提供了可能。

 

结论

在本文中,我们讨论了两个全新有机生物电子装置的例子:脑电图阵列和有机电化学晶体管。带有PEDOT:PSS电极设计的脑电图阵列具有比相似结构金电极更好的性能。这种基于PEDOT:PSS的阵列提供了一种记录人体脑沟中ECoG信号的方法,因其独特的整合性显著增强了诊断的能力。有机电化学晶体管可为屏障组织完整性中的细微变化提供实时的信息。从这些装置中获取的信息可以用于了解病原体、毒素和药物转运的影响。

 

材料

     

参考文献

  1. Malliaras, G. Organic Bioelectronics: A new era in organic electronics. Biochem. Biophys. Acta 2012.
  2. Owens, R. M. & Malliaras, G. G. Organic electronics at the interface with biology. Mrs Bull, 2010, 35, 449-456.
  3. Berggren, M. & Richter-Dahlfors, A. Organic bioelectronics. Advanced Materials, 2007, 19, 3201-3213.
  4. Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J. Y., Martin, D. C. & Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film. Journal of Neural Engineering, 2006, 3, 59-70.
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