導電高分子材料是一種具導電性的高分子聚合物，又稱導電塑膠與導電塑料。最簡單的例子是聚乙炔，這樣的導電高分子材料是單鍵和雙鍵交替的有機鏈，當高分子結構擁有延長共軛雙鍵，離域π鍵電子不受原子束縛，能在聚合鏈上自由移動，經過摻雜後，可移走電子生成空穴，或添加電子，使電子或空穴在分子鏈上自由移動，從而形成導電分子並賦予導電高分子類似金屬的半導體性能。最近十年來，大量的導電高分子材料已被廣泛研究並用於生物醫學應用（例如包括用作生物傳感器，神經信號傳導和生理信號採集）以及用於藥物輸送和人體組織工程修復。常用的導電聚合物包括聚（3,4-乙撐二氧噻吩（PEDOT），聚苯胺（PANI）和聚吡咯。導電高分子材料傳統上是在體外合成後應用於培養細胞或體內植入，通過體外注射或者植入的方法將導電聚合物整合到體內組織中，但是缺乏對細胞和組織器官的靶向性的體外植入，美國工程院院士光遺傳學之父Karl Deisseroth和鮑哲南等強強聯手，在Science上發表文章報導了在神經元中組裝導電高分子材料的遺傳靶向方法。這種方法通過整合工程酶靶向技術和高分子化學，從遺傳上指導了特定的活神經元，以指導質膜上電功能（導電或絕緣）聚合物的化學合成。電生理和行為分析證實，功能高分子經過合理設計，以基因為靶標的組裝，不僅保留了神經元的生存能力，而且還實現了對自由活動動物的膜特性的重塑和細胞特定類型的行為的調節。這種方法可以在生活系統中創建各種複雜的功能性結構和材料。可以重塑神經元細胞膜的電特性，並實現特定細胞類型的細胞電生理信號和生物行為調節，例如控制神經元放電。
具體步驟：
聚苯胺（PANI）和聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）被選擇為體內合成的導電高分子材料因為其良好的生物相容性。選擇這些聚合物用於水合成（這對於生物系統的相容性很重要）以及電子和離子的雙重傳導，當電子與活細胞連接時可降低生物微環境中電化學阻抗 。如圖所示，步驟I，使用化學修飾單體設計了一種單一酶促聚合，其聚合是由一種可以在特定細胞中表達的酶（抗壞血酸過氧化物酶Apex2的人源化版本）觸發的。灌注能夠通過完整組織擴散的小分子導電聚合物前體（步驟I）之後，在基因靶向酶的反應中心處進行氧化自由基陽離子聚合步驟。由於自由基陽離子在水溶液中的平均擴散長度較短，且所得聚合物的溶解度較低，因此預期合成的導電聚合物將沉積在膜旁的靶細胞上（步驟II）。
圖1.細胞中功能材料的遺傳靶向化學組裝。
為了對聚合前後的相同細胞進行嚴格的測試在急性腦切片中進行了記錄（圖3A），從而可以在整個聚合反應過程中將相同的細胞保持在全細胞膜片鉗中。注射Apex2病毒後四周，我們觀察到了穩定的Apex2驅動的聚合反應（圖3B），PANI反應後電容增加，而PDAB反應後電容降低（圖3，C和E）。在所有條件下，貼片細胞在輸入阻力和靜息電位方面都是健康的。接下來，研究動作電位（圖3，D和F）。治療後Apex2（–）神經元的放電率沒有變化，Apex2（+）/ PANI神經元的電流注入誘發的放電降低，而Apex2（+）/ PDAB神經元的放電提高（圖3，D和F）。對於改變放電的非特異性細胞健康機制，尚無法預期靜息電位和輸入電阻的穩定性以及這種效應的雙向性。相比之下，實驗和理論研究表明，尖峰發射與電容（輔助材料）之間存在反相關關係，這與切片生理學相吻合，後者顯示出導電聚合物沉積在生物介電脂質雙層上後電容增加絕緣聚合物沉積後，神經元和電容降低（圖3，C和E）。
圖3電生理學特徵:活體腦切片中的導電聚合物。
最後，作者們測試了在體內組裝遺傳靶向電活性聚合物的自由活動動物的行為。我們在蠕蟲(秀麗隱杆線蟲) 咽肌細胞的膜上表達Apex2綠色螢光蛋白 (GFP)(圖4，A和B)，並觀察到穩定的局部聚合(圖4，C)。Apex2 (+)/PANI蠕蟲顯示咽部肌肉的泵送頻率降低 (圖4E)，這與在培養的神經元和腦切片電生理學中觀察到的靶細胞的抑制一致，但是在其他身體運動中沒有定量改變，例如彎曲(圖4F)。因為液態原子力顯微鏡顯示聚合後細胞膜的楊氏模量沒有明顯變化，由於肌肉膜彈性的變化，咽泵的改變是不可能的，生存力測定證實了PANI在蠕蟲中的長期生物相容性(圖A和C)。
圖4秀麗隱杆線蟲的細胞類型特異性聚合。
電生理學和行為學分析證實，合理設計、基因靶向的功能性聚合物不僅能保持體外神經元的活力，而且能在自由活動的動物體內（秀麗隱杆線蟲(C. elegans)）實現膜特性的重塑和細胞類型特異性行為的調節。
總結與展望
本研究已經在活細胞、組織和動物體內的遺傳特定細胞元素上實現了電活性聚合物的化學組裝。未來的工作可能解決潛在的限制和機會；例如，隨著時間的推移，反應產物可能佔據靶細胞內和附近的大量空間，這在某些情況下可能有用，但也可能導致細胞毒性。化學合成的靶向和觸發的不同策略可以超越這裡所示的氧化自由基引發，同時建立在細胞內組裝的核心原則(作為反應室)、遺傳和解剖學靶向的反應物(如單體)、催化劑(如酶或表面)或反應條件(通過調節酸鹼度、光、熱、氧化還原電位、電化學電位和其他化學或能量信號)。因此，不同的細胞特異性化學合成可以被探索和開發用於組裝結構中廣泛的功能特性。
全文連結：
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1372
來源：高分子科學前沿
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