体内血红蛋白催化合成n型导电聚合物——光控神经活动，无需侵入式手术

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Science：体内血红蛋白催化合成n型导电聚合物——光控神经活动，无需侵入式手术
+ B( Q3 e' }6 l& w- p" `" F来源：生物谷原创 2026-04-27 14:48
& g& |; n7 h! }/ M, [, E发现指向了一种高效且更安全的将电子器件与大脑和神经系统连接的方法。研究人员认为，这种血液催化的生物电子构建方法，开辟了一种无需侵入性手术即可按需控制大脑活动的强大新途径。; J* `6 \8 {- o4 o: m# j7 {! {
19世纪的科幻小说《弗兰肯斯坦（Frankenstein）》纯粹以想象的方式探讨了将人造材料与人体成分结合的想法。两个世纪后的今天，这类概念已成为我们医学科学不可或缺的一部分。合成材料和设备可以与身体的电化学系统连接以恢复功能——从调节神经退行性疾病的神经活动到管理心血管疾病的心律。
" A' q! t6 X- k/ c) H. D普渡大学研究人员最近的一项研究将这一概念向前推进了一步。他们开发出能够利用身体自身的血液蛋白（特别是血红蛋白）作为天然催化剂，直接在生物体内合成的导电聚合物。
. [% A/ g: p4 C) o* x+ U6 U, p% o" Q这种新型n型导电聚合物界面n-PBDF（聚苯并二呋喃二酮）具有柔软、类似组织的稠度，使其能够作为生物电应用的电极发挥作用。与依赖外科植入硬件的传统生物电子学不同，这种方法利用体内天然存在的蛋白质直接在活体组织内构建响应性组件，确保了长期的相容性。- U- I) G9 u( G. `. @2 @
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当被引入斑马鱼胚胎和小鼠大脑时，n-PBDF形成了稳定的电接口，且没有引发毒性、炎症或任何行为变化。实验还揭示，n-PBDF可以与神经元无缝整合，实现在活体小鼠中以毫秒级精度进行光触发的神经活动控制。这些发现发表在《Science》期刊上。0 M) u4 H3 I" w" F
构建血液催化的聚合物/ \6 H- @1 I+ M5 p2 j, y
我们身体的内部就像一个精确控制的化学实验室，维持着必要的生物过程。要让任何合成材料在这个环境中与活体组织一起工作，它必须安全地传导身体的化学和电信号，抵抗化学分解，并与组织无缝共存而不触发身体的免疫系统攻击。
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导电聚合物似乎符合所有这些要求。然而，大多数在工厂制造然后通过外科手术植入体内的聚合物设备，由于其硬度，往往无法与身体的软组织整合。由于它们不能与活体组织很好地融合，在实际应用过程中，它们的电性能往往会随时间下降。
, p+ a: W8 o" @# Q+ ~科学家们曾尝试直接在体内组装导电聚合物以影响神经活动。这些研究大多集中在使用p型材料（通过正电荷载流子或空穴导电的聚合物），但这些方法难以逆转，且材料有时会导致毒副作用。4 p! _$ N+ E$ j$ H8 i  F# u5 k
在这项研究中，研究人员选择了n型导电聚合物，其中电子是主要的电荷载流子。他们通过将液态构建单元——苯并二呋喃二酮（BDF）单体——直接注射到活体动物（如斑马鱼胚胎和小鼠）体内来创建电子接口。他们不使用人工化学物质来引发反应，而是依赖血红素蛋白作为催化剂。
. x8 E* T+ m) Q$ K在血液中血红素蛋白和氧气的存在下，BDF单体产生了铁氧血红素蛋白中间体，这是一种高反应性的铁形式，触发自由基介导的反应，将单体连接成长聚合物链。然后，研究团队用周围的水和生物体液中的盐离子（如钠离子Na⁺）对聚合物进行还原掺杂。这一步赋予了聚合物独特的导电性。) o! o1 O1 K$ k; `- D* [1 ?: |
在导电网络形成后，研究人员对动物进行了长期健康检查以确保过程安全。斑马鱼和小鼠都正常生长和活动，没有出现脑部炎症的迹象。  ]* R# d7 ?0 B( C0 B4 t4 E
研究人员发现，他们可以使用近红外光控制n-PBDF网络的活性。当被光照时，聚合物产生微小的热量和电荷变化，短暂地使神经细胞暂停，阻止它们放电。他们通过训练小鼠拉杆获取奖励，然后使用光暂停特定的大脑信号，实时展示了这一效果——动物的行为瞬间发生改变。
% O3 A, P8 S& E) ?5 ?这些发现指向了一种高效且更安全的将电子器件与大脑和神经系统连接的方法。研究人员认为，这种血液催化的生物电子构建方法，开辟了一种无需侵入性手术即可按需控制大脑活动的强大新途径。（生物谷Bioon.com）
) K- A! x2 P1 I+ V2 l0 R* X, x  q# w参考文献：
$ M8 A% A" L7 V0 v, g; p) KSanket Samal et al, Blood-catalyzed n-doped polymers for reversible optical neural control, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adu5500.
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