科幻⼩说或电影⾥,我们常常看到⼈或其他⽣物体内连接着电极电线的情节。其实,这并⾮仅存在于科幻作品中的幻想,近年来,现实世界的科学家也⼀直在尝试将电⼦技术与⽣物组织联系起来。⼏⼗年来,研究⼈员⼀直在尝试制造模仿⽣物学的电⼦技术。然⽽,与半导体⼯业同步发展的传统⽣物电⼦技术,有着固定且静态的设计,很难甚⾄不可能与活体的⽣物信号系统结合。现在,⼀组瑞典的研究团队尝试让⽣物学反过来“主动”创造电⼦技术。
在⼀项《科学》报告的新研究中,科学家第⼀次利⽤⽣物体⾃身的化学,让活⻥“⻓”出了电极,再度模糊了⽣物与机器的界限。研究⼈员开发出了⼀种⽅法,可以在活体组织中创建柔软的、⽆衬底的电⼦导电材料。多年的酝酿,2015年,瑞典林雪平⼤学的⼀些研究⼈员开发了⼀种“电⼦玫瑰”,他们在玫瑰的叶或茎中渗⼊了导电聚合物,让植物和电⼦材料结合在了⼀起。这引发了更深⼊的兴趣,⼈们开始想要探索电⼦材料与动物结合的可能。
然⽽,⼀个关键问题是动植物之间存在重⼤不同,那就是它们的细胞结构的差异。植物有坚硬的细胞壁,可以形成电极;⽽动物细胞更像是⼀个柔软的团,在这样的环境中形成电极是⼀个挑战,也是团队花了很多年才解决的难点。
研究⼈员设计了⼀种凝胶,这种凝胶具有在动物细胞环境中,形成电极所需的结构和物质组合。他们将凝胶注⼊了⽣物体内,在注⼊之前,这种凝胶并不导电,但当与身体物质接触后,凝胶的结构会发⽣改变,变得具有导电性。也就是说,以前需要植⼊物理物体来启动体内的电过程,现在注⼊黏稠的凝胶就⾜够了。此外,研究⼈员还可以根据不同的组织,来调整凝胶的成分,让电过程继续。
这类实验所⾯临的的另⼀重⼤挑战是动物的免疫系统。在这项研究中,研究⼈员通过对化学成分进⾏巧妙的改变,开发出了能被脑组织和免疫系统接受的电极。在实验中,团队成功地在斑⻢⻥的脑、⼼脏和尾鳍,以及医⽤⽔蛭的神经组织周围实现了电极形成。他们还尝试了在鸡、猪和奶⽜的肌⾁组织内形成。这些动物没有因凝胶注射⽽受到伤害,也没有因电极形成产⽣其他影响。
在过去的类似实验尝试中,基因改造或者光⽕电能这样的外部信号是必不可少的。现在,仅凭身体的内源性分⼦就足以触发电极的形成,这是科学家第⼀次做到这⼀点。将电⼦技术与⽣物组织联系起来,对于理解复杂的⽣物功能、治疗⼤脑中的疾病以及开发未来的⼈机接⼝都非常重要。新的研究结果进⼀步表明,这种⽅法可以将电⼦导电材料瞄准特定的⽣物⼦结构,从⽽为神经刺激创造合适的界⾯。
这项成果为⽣物学和电⼦技术的全新思维⽅式开辟了道路。虽然仍有⼀系列问题有待解决,但这是未来研究的⼀个良好的起点。研究⼈员相信,从⻓远来看,我们甚⾄有望在⽣物体内制造出完全集成的电⼦线路,进⼀步弥合⽣物学与技术之间的鸿沟。