Advanced Materials | 用于外源感测和细胞命运控制的导电水凝胶

下一代将生命系统与计算机连接的技术将需要基于生物学的材料，这种方法可能解决稳定和多模态信息交换中持续存在的挑战。这里，我们介绍一种半合成水凝胶，旨在模拟原生细胞外基质（ECM）的关键特征，同时提供电可调功能。我们工程化硫酸化糖胺聚糖（sGAGs）与半导体有机聚合物（聚（3,4-乙烯基二氧噻吩，PEDOT）在软水凝胶网络（PEDOT：sGAGh）中的相互作用。我们展示了对材料纳米结构、电化学行为和生物分子相互作用的控制。特别是，PEDOT：sGAGh 对生物活性蛋白（包括生长因子）表现出亲和力，并允许通过低压刺激调节其释放或保留。这使得对细胞分化的大分子线索进行电控成为可能，这种能力在天然 ECM 或传统导电水凝胶中是不具备的。这些功能通过超低 PEDOT 含量（≈1 wt.%）实现，保持水凝胶的组织状软性和高含水量。PEDOT：sGAGh 材料可以作为生物活性涂层集成在电极上，或集成到三维有机电化学晶体管（OECTs）中。我们的研究结果使 PEDOT：sGAGh 成为实现生物混合电路的多功能平台，桥接分子信号传导与固态电子学，从而为超越纯电交互模式的脑机接口铺平了道路。
该研究以题为“Conductive Hydrogels for Exogenous Sensing and Cell Fate Control”发表在Advanced Materials 上。

组织-电子界面的仿生方法。（A）细胞与电子对抗（ECM）之间的动态连接。酶（如基质金属蛋白酶和葡萄糖苷酶）降解蛋白聚糖聚集体和硫酸化糖胺聚糖（sGAG）会触发生长因子和细胞因子的释放。sGAG如肝素可以包含硫酸基和磺酸基，但为简化起见，我们将以下统称为硫酸基。释放的信号分子与细胞受体结合，激活下游信号通路。（B） 在仿生水凝胶中，半导体聚合物（如PEDOT）与选定的带电元件（如sGAG）结合。所得材料的导电态可以通过注入电子电荷或离子/分子通量调节。这使得PEDOT能够：sGAGh 可作为生物电子界面中的分子执行器或传感器。sGAGh 和 PEDOT：sGAGh 的合成与参数化。（A） 肝素硫酸盐（11,500 g/mol）与starPEG（10,000 g/mol）交联，生成sGAGh模板。PEDOT的后续聚合通过在盐酸存在下由过硫酸铵（APS）发起的扩散控制氧化聚合进行。（B）阴离子硫酸基团作为PEDOT的反电荷。（C） 阴离子电荷密度参数 P （μmol/mL）决定了水凝胶体积中硫酸盐基团的含量。为了保持交联密度，变化 P （即肝素含量的变化）被额外的starPEG补偿，这些PEG通过互补的（马来酰胺）反应基团功能化。两亲性参数 M 描述肝素的功能化程度。水凝胶 M = 0 是通过 EDC/NHS 化学产生的，且 M = 6 是通过将马来亚胺官能化肝素与硫醇官能化 starPEG 连接产生的。保持恒定的 starPEG 和肝素分子的化学计量比值，可以确保交联密度不受变化影响 M.然而，由于两种交联系统导致的肿胀略有不同，发生了变化 M 结果是 的 略微偏离（< 10%） P 参数。（D）参与EDC/NHS化学的官能团。（E）参与硫醇-马来亚胺化学的官能团。（F） PEDOT：sGAGh 样品，（i） 作为独立材料，（ii） 作为有机电化学晶体管（OECTs）中的通道，制造于聚酰亚胺上。

总结

本研究基于细胞外基质仿生理念，构建了一种由硫酸化糖胺聚糖与半导体聚合物PEDOT组成的半合成导电水凝胶（PEDOT:sGAGh），通过调控阴离子电荷密度与肝素两亲性，实现了对材料纳米结构、电化学行为及生物分子相互作用的系统调节。该水凝胶在极低PEDOT含量（约1 wt.%）下即可形成导电渗透网络，保持组织样的柔软度与高含水量，并展现出与多种生长因子（如VEGF、FGF-2）的可逆结合能力。通过施加电化学窗口内的氧化或还原电位，可动态调节生长因子的释放与保留，进而实现对血管内皮细胞管状结构形成与神经元样细胞分化的精准控制，这种电控生物分子信号调控能力在天然细胞外基质或传统导电水凝胶中均不具备。

参考消息：

DOI: 10.1002/adma.72866