Crosslinked Hyaluronic Acid-Doped Polypyrrole: Stable, Nonbiofouling Implantable Bioelectrodes for In Vivo Signal Recording

《Materials Today Bio》：Crosslinked Hyaluronic Acid-Doped Polypyrrole: Stable, Nonbiofouling Implantable Bioelectrodes for In Vivo Signal Recording

　　

植入式生物电极因其能够在生物组织与电子设备之间实现精确的电信号传输，在神经记录、心脏监测和生物传感等生物医学应用中至关重要。导电聚合物，特别是聚吡咯（Polypyrrole, PPy），因其高导电性、生物相容性和可修饰性而成为极具前景的生物电极材料。近年来，通过将透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）等细胞外基质成分掺入PPy中制备仿生生物电极，已成为提高组织整合度并减少不良异物反应的重要策略。然而，基于HA的生物材料（包括HA掺杂的PPy生物电极）易受透明质酸酶（Hyaluronidase, HAase）的快速酶促降解和水解影响，导致其原有生物相容性的丧失，从而限制了其在体内的可靠性和功能性。因此，开发既能增强HA掺杂PPy电极稳定性，又能保持其原有有益特性的新策略显得尤为迫切。 本研究开发了一种掺杂交联HA的PPy电极（PPy/cHA），旨在提高其对酶促降解的抗性，同时保持电化学稳定性和非生物污染特性。研究人员通过电化学聚合制备了PPy/HA电极，随后使用1,4-丁二醇二缩水甘油醚（1,4-butanediol diglycidyl ether, BDDE）对表面暴露的HA基团进行共价交联。这种后交联处理并未显著改变电极的表面形貌、亲水性、阻抗或非污染特性。重要的是，经HAase处理后，PPy/HA电极表现出阻抗增加和成纤维细胞黏附，而PPy/cHA则保留了其原始的物理化学和抗生物污染特性。小鼠皮下植入三周结果显示，PPy/cHA电极周围的纤维化组织显著减少。此外，心电图监测表明，与对照组相比，PPy/cHA电极在三周内保持了稳定的信号传输和更高的信噪比。这些结果凸显了PPy/cHA电极作为一种可靠、非生物污染且可植入的生物电极，在多种生物医学应用中具有巨大的潜力。

论文解读：交联透明质酸掺杂聚吡咯用于稳定非生物污染植入式生物电极的研究

该研究针对植入式生物电极在长期体内信号采集中所面临的生物污染与界面稳定性挑战，开发了一种基于交联透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）掺杂聚吡咯（Polypyrrole, PPy）的新型生物电极（PPy/cHA）。研究背景在于，尽管PPy/HA电极凭借其仿生特性和抗生物污染能力展现出良好的应用前景，但HA固有的酶促降解缺陷导致电极在植入后发生纤维化并丧失信号灵敏度。为解决这一问题，研究人员提出了一种利用1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）对表面HA进行局部交联的策略，以构建具有长期稳定性的植入式生物电子界面。此项研究成果已发表于《Materials Today Bio》。

在研究技术方法方面，研究人员首先通过恒电流聚合（Chronopotentiometry）在金涂层基底上合成了PPy/HA电极，并利用BDDE进行了后交联处理以获得PPy/cHA。为评估其性能，研究采用了原子力显微镜（AFM）和时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）进行表面形貌与化学组成表征；利用电化学阻抗谱（EIS）评估电化学稳定性；通过透明质酸酶（HAase）处理及体外成纤维细胞（NIH-3T3）培养实验验证抗生物污染能力；最终通过小鼠皮下植入模型结合苏木精-伊红（H&E）及Masson染色进行组织学分析，并利用心电图（ECG）记录评估了长达三周的体内信号监测性能。

研究结果部分详细阐述了以下内容：

3.1. PPy/cHA的合成与表征

研究人员通过电化学沉积结合BDDE后处理成功制备了PPy/cHA电极。AFM分析显示，交联处理未改变PPy表面的颗粒状形貌和平均粗糙度（R_a），表明微观结构得以保留。ToF-SIMS和高分辨率X射线光电子能谱（XPS）证实了BDDE成功在表面引入了醚键交联。水接触角（WCA）和表面羧基定量测试表明，PPy/cHA保持了与PPy/HA相当的亲水性和官能团密度。EIS结果显示，PPy/cHA与PPy/HA具有相似的低频阻抗值，证明交联过程未损害材料的本征电化学性能。

3.2. HAase环境下的PPy/cHA电极酶稳定性

在模拟生理环境的HAase处理实验中，PPy/HA的WCA显著增加，表明表面HA降解导致亲水性丧失；而PPy/cHA的WCA保持不变。表面羧基定量分析进一步证实，PPy/cHA能有效抵抗酶促水解。EIS数据显示，PPy/HA在HAase处理后阻抗急剧上升，而PPy/cHA则维持了稳定的低阻抗状态。体外细胞黏附实验表明，经HAase处理后，PPy/HA表面的成纤维细胞数量大幅增加，而PPy/cHA依然表现出优异的抗细胞黏附性能。

3.3. 体外细胞相容性测试

通过提取液法进行的细胞毒性评估显示，PPy/HA和PPy/cHA两组提取液培养下的NIH-3T3细胞均表现出超过99%的高存活率，且WST-1代谢活性检测结果与对照组无显著差异。这证实了BDDE交联工艺及材料本身具有良好的细胞相容性，不会对周围组织的代谢活动产生负面影响。

3.4. 植入式生物电极的组织相容性

小鼠皮下植入三周后的组织学分析揭示了关键的体内性能差异。H&E和Masson染色结果显示，金电极和PPy/HA电极周围引发了严重的炎症细胞浸润和厚层胶原沉积（纤维化囊）；相比之下，PPy/cHA电极周围的炎症浸润更少，纤维囊厚度显著减小。这表明交联HA表面能有效调节宿主免疫反应，减少纤维化封装。

3.4. 植入式电极的体内信号记录

在体内功能性验证中，研究人员记录了长达21天的皮下ECG信号。结果显示，金和PPy/HA电极的基线噪声随时间推移逐渐增加，信噪比（SNR）下降；而PPy/cHA电极在整个监测期间均表现出清晰的信号波形和最小的基线漂移。定量分析表明，PPy/cHA组的SNR值在各时间点均显著高于对照组，且在第三周时仍能保持初始信号质量的99.9%。

讨论与结论部分指出，PPy/HA电极虽具优良亲水性与抗污性，但其功能稳定性受限于HA的酶促降解。本研究引入的BDDE温和后交联策略，通过共价稳定表面HA链，在不改变体相电学性质的前提下，有效解决了这一难题。PPy/cHA电极不仅在体外表现出卓越的酶稳定性和抗生物污染特性，在体内植入实验中也证实了能显著减轻纤维化反应并维持长期的电化学信号保真度。该研究成功证明了交联HA表面在维持植入式生物电子器件长期界面稳定性方面的关键作用，为下一代用于神经接口、生物传感和心脏监测设备的长效稳定生物电极提供了重要的平台技术。