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芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!
2024/6/4 12:26:18 | 浏览:793 | 评论:0

传统电子器件的生物界面通常由坚硬的金属或者半导体构成。然而这些材料在性质上与我们身体组织存在巨大的不同。生物组织与电子器件在生物力学,电学以及生理学方面的不匹配通常限制了生物电子器件在复杂疾病治疗和监测上的应用。此外,由于生物组织和细胞的复杂性和动态性,很难通过传统的材料设计以充分实现生物组织的各项生理功能。有趣的是,细菌和哺乳动物细胞等固有的生物系统自然地拥有细胞信号的产生和传输能力。然而,将这些生物体整合到生物电子学中仍然是一个挑战,这主要是由于缺乏精确的控制机制以及对外来细胞与宿主疾病之间动态的透彻理解。
芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!

5月30日,芝加哥大学Bozhi Tian教授课题组报告了一种活性生物电子器件通过将活的生物细胞或者细菌引入到电子器件中,以模糊电子器件以及生物组织之间的界面。这种器件的设计系统性的将水凝胶,活细菌,以及传统电子器件集成以实现电子器件、微生物和哺乳动物生物系统交界处的各类信号传输和调控。活性水凝胶体系的成功构建延长了细菌在生物界面的活力以及存在时间以充分调控组织微环境。该工作证明了活性生物电子器件在复杂自身免疫疾病监测和治疗方面的功能,为未来电子治疗提供了新思路。
芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!

相关成果以“Active biointegrated living electronics for managing inflammation”为题发表在Science上。芝加哥大学Jiuyun Shi, Saehyun Kim为第一作者。芝加哥大学Bozhi Tian, Jiping Yue, 罗格斯大学Simiao Niu为通讯作者。

芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!
图|活性生物电子器件的设计


活性生物界面的设计

为构建活性生物界面,该团队选择了水凝胶复合材料作为基质并将表皮葡萄球菌作为活性成分。为有利于表皮葡萄球菌长期生存,水凝胶基质使用了蛋白质和多糖聚合物的双网络结构。通过进一步对水凝胶的加热-冷却循环过程降低了多糖的结晶度并延长了水凝胶基质内细菌的活力。此外,冻干的活性水凝胶可以在低温下保存30天。由于水凝胶能够支持细菌生长,因此,通过将再水化的水凝胶在室温下静置过夜,可以将储存过程中细菌活力的任何损失恢复到初始水平以上。这一特征以及电子设备的稳定性表明了其工业化和分销的潜力。活性水凝胶同样表现出良好的生物电学和生物力学特性。活性水凝胶这种模仿组织的生物力学特性促进了与组织的共形生物界面,实现生物电子学的无缝集成。水凝胶的机械和电化学性也能在电生理记录的较长时间内保持稳定。

芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!

图|活性生物界面的构建

活性生物界面促进电生理信号记录

该工作构建了一个15通道网状电子阵列,用于表面肌电图强度多位点记录。该工作证明了活性生物电子设备可以与大鼠腿部皮肤稳定连接并记录由坐骨神经刺激引起的肌电图信号。电子设备与大鼠腿上的皮肤形成保形且粘合的界面,并记录平均信噪比(SNR)为26.76 dB的肌电信号。此外,电子设备可以在一定区域内解析肌电空间强度动态信息。相比之下,传统的金属电极记录的信号SNR为12.00 dB,表明活性生物界面有利于电生理信号传输。 此外,与传统的生物电子支架相比,活体生物界面的侵入性较小,有助于减少运动伪影。并且,活性电子器件具有一定的长期稳定性,在4小时内肌电信号没有显着的SNR损失。

芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!

图|活性生物电子器件用于生理信号记录

活性电子器件在皮肤疾病监控方面的应用

牛皮癣是一种慢性炎症性疾病,影响着全世界约 1.25 亿人,且无法完全治愈。到目前为止,银屑病的解决方案还很少。传统的治疗方法通常非常昂贵或是存在很强的副作用。该团队将活性电子设备应用于银屑病小鼠模型以评估他的生理信号记录和疾病治疗功能。其中电子设备为无电池无线柔性印刷电路板。此电路板可以实现水凝胶、细菌、电子器件之间的全面相互作用。 它能够(1)无线能量收集和数据传输;(2)通过皮肤阻抗、湿度和温度传感实时监测疾病进展;(3)通过电刺激按需调控细菌活性。此外,它集成了一个近场通信应答器用于遵循ISO 15693协议的射频能量收集和无线数据传输。在临床前评估中,轻型无线活性电子器件不会妨碍小鼠的移动性。这个活性电子器件可以记录银屑病恢复过程中的阻抗持续下降以及治疗过程中的湿度和温度信息。此外,活性生物器件可以调节局部免疫系统以治疗银屑病。

活性生物电子器件的治疗机理

该研究团队随后通过一系列的生物实验研究了生物电子器件如何影响组织的免疫系统。 通过免疫组化,细胞因子分析,皮肤微生物群分析,组学分析等,作者发现活性生物电子器件显着调节银屑病的炎症环境。首先,电子器件减轻了Tlr2基因以及其他对引发先天免疫反应至关重要的基因的表达。TLR2的作用在TLR2-KO小鼠实验中也得到了呼应。这一结果强烈表明活性细胞通过生物信号抑制树突状细胞和巨噬细胞的活化。其次,如组织学和流式细胞术分析所示,活性电子器件治疗显着减轻了适应性淋巴细胞对皮肤病变的浸润,并降低了与淋巴细胞浸润相关的基因的表达水平。第三,在活性电子器件治疗后,关键细胞因子的mRNA 和蛋白质水平均显着降低。最后,与银屑病表皮增生以及乳头血管扩张和血管生成相关的基因在治疗后表现出下调。这些发现与在组织学组织水平上观察到的治疗效果一致。总之,活性电子器件的治疗通过阻止起始树突细胞的激活并随后抑制银屑病发病机制固有的炎症阶段。

芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!

图|活性生物电子器件用于疾病治疗

总结与展望

该团队在生物医学应用中验证了集成活体生物界面的生物电子设备的功效。使用银屑病模型,该团队展示了活体生物电子设备在疾病疾控以及治疗方面的临床转换潜力。此外,生物材料和电气系统之间的联系为探索生物和非生物系统之间的相互作用提供了新的机会。活性生物电子技术代表了生物电疗法或电疗法的未来潜力,为创造与生理自然过程无缝结合的创新疗法开辟了令人兴奋的可能性。活体生物电子学的出现也为研究如何动态控制潜在有害生物体与人体组织之间的相互作用铺平了道路。
芝加哥大学Bozhi Tian课题组《Science》生物电子水凝胶!
Bozhi Tian 课题组长期从事活性生物电子界面的研究,这篇文章代表了其在领域内长期积累的成果



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