本研究由芝加哥大学化学系的Jiuyun Shi、Saehyun Kim、Jiping Yue、Bozhi Tian等人，联合罗格斯大学生物医学工程系的Simiao Niu团队，以及哥伦比亚大学、芝加哥大学医学中心等多个研究机构共同完成。论文发表于 Science 杂志，2024年5月31日，第384卷，页码1023至1030，标题为“Active biointegrated living electronics for managing inflammation”。Jiuyun Shi与Saehyun Kim为该论文的共同第一作者，Simiao Niu、Jiping Yue和Bozhi Tian为共同通讯作者。
该研究属于生物电子学、生物材料与免疫调控交叉领域。传统生物电子器件虽可采集人体生理信号并执行电刺激，但其与活体组织之间在机械、化学与生物属性上的差异会造成界面失配，降低信号保真度并限制其生物调控能力。常规水凝胶虽可作为缓冲层缓解力学差异，但缺乏细胞功能，不能主动参与免疫调节。与此同时，皮肤共生菌如表皮葡萄球菌（*Staphylococcus epidermidis*）天然具备调节皮肤免疫状态和促进组织修复的能力。如何在电子器件与组织之间引入可长期存活且受控的活体微生物，并同时保留生物力学顺应性与电学信号传导能力，是该领域尚未解决问题。该研究的核心目标即构建一种兼具生物源性、生物力学和生物电学特性的“主动生物集成活体电子平台”（active biointegrated living electronics, ABLE），用于炎症性皮肤病的监测与治疗。
研究分四个主要环节展开。第一环节是生物源性基质的设计与评价。研究团队仿照天然生物膜中蛋白质与胞外多糖共存的结构，选用明胶为蛋白质网络，以木薯淀粉为多糖成分，通过加热糊化与冷却回生过程破坏淀粉结晶形态，释放直链淀粉，形成双网络水凝胶。该活体水凝胶能够支持表皮葡萄球菌至少4天的高存活率，冻干后可在−80°C保存30天，经室温再水化过夜后细菌活力可恢复并超过初始水平。该水凝胶含水量超过75%，剪切模量约4 kPa，具备组织级柔软度和粘弹性，且在生理相关频率（10²–10⁵ Hz）下阻抗低于500 Ω。利用傅里叶变换红外光谱证实糊化过程增强淀粉与明胶分子间相互作用。水凝胶表面丰富的羟基赋予其粘附性，可与皮肤形成稳定界面。为验证电生理信号采集性能，研究构建15通道网状电极阵列并通过旋涂浇铸法集成活体水凝胶。在大鼠腿部记录坐骨神经电刺激诱发的肌电信号，平均信噪比达到26.76 dB，而金电极界面仅为12.00 dB。该设备还能在16 mm×12.8 mm区域解析高空间分辨率的表面肌电强度图，并在4小时内保持信号稳定。
第二环节是疾病模型与有线电生理监测。研究者将ABLE设备应用于咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型。银屑病是全球约1.25亿人患有的慢性炎症性疾病，临床表现为红斑、硬结、脱屑和表皮增厚。研究先制造六导联表面心电图记录用活体水凝胶网状电子器件，贴附于健康小鼠胸部后可稳定记录I、II、III、aVL、aVR和aVF六个导联的心电信号，平均信噪比为18.97 dB。而在银屑病小鼠中，由于皮肤增厚，心电信噪比显著降至7.96 dB。这一差异可用于疾病状态的定性检测。当设备在皮损区域连续贴附4天后，心电信噪比明显改善，提示活体成分参与了症状缓解。
第三环节是无线监测与治疗一体化器件开发。为实现在体实时监测与主动调控，研究团队设计了一种无电池柔性印刷电路板。该电路集成近场通信应答器以进行射频能量收集与无线数据传输，遵循ISO 15693协议，并连接阻抗传感电路和商用SHT4x数字温湿度传感器。设备通过无线方式连续记录皮肤阻抗、温度和湿度变化以追踪恢复进程。ABLE在4天治疗期间记录的阻抗持续下降，与银屑病严重程度指数改善趋势一致。治疗结束后，电路中的消毒电极在活体水凝胶界面施加3.5 V直流电压30分钟，借助界面活性氧生成完成对细菌的终末消毒。共聚焦显微镜与活死菌染色证实消毒有效，显著降低生物危害风险。与甲氨蝶呤联合使用时，ABLE还可增强传统药物治疗效果。
第四环节为作用机制解析。ABLE治疗4天后，小鼠脾脏重量下降，提示全身免疫系统受到调控。组织学染色显示表皮增生、角化不全和皮肤炎症显著减轻。免疫组化结果显示巨噬细胞、CD4阳性T辅助细胞和CD8阳性T细胞毒性细胞数量明显减少，CD31染色显示扩张血管数量下降。细胞因子分析表明IL-17、IFN-γ、TNF-α和IL-1等关键炎症因子水平下降。16S核糖体RNA基因测序表明ABLE可调节皮肤菌群，使其从银屑病状态向健康状态转变。值得注意的是，治疗期间皮肤上几乎检测不到表皮葡萄球菌定植，金黄色葡萄球菌丰度也显著降低，说明生物电子控制策略可有效限制活体微生物的安全性风险。利用TLR2基因敲除小鼠进行的实验显示ABLE的疗效消失，而TLR4敲除小鼠仍保留疗效，表明TLR2信号通路是介导治疗作用的重要机制。体外实验进一步提示表皮葡萄球菌来源的脂磷壁酸可能作为TLR2配体之一参与免疫调节。整体RNA测序发现ABLE治疗引起1100个基因显著改变，其中695个下调，涉及天然免疫应答、淋巴细胞浸润、表皮过度增殖和血管生成等过程。基因本体分析富集于角质化、角质形成细胞分化、免疫系统功能和炎症反应等生物过程。仅含水凝胶和电子器件而无细菌的对照组仅引起少量基因变化，且不涉及炎症免疫通路，说明活体细菌组分是治疗作用的关键。
该研究的核心贡献在于首次构建了同时具备活体生物功能、组织级力学顺应性和电学信号交互能力的生物集成电子平台。与传统生物电子器件相比，ABLE不仅实现多模态信号采集，还通过共生菌主动调节皮肤免疫微环境，推动银屑病症状消退。在材料层面，明胶—糊化淀粉双网络水凝胶模拟天然生物膜组分，解决了活菌长期保存与生物界面稳定性问题。在器件层面，有线肌电/心电信号记录和无线阻抗、温湿度监测为疾病诊断与恢复追踪提供多维度信息。在安全层面，电刺激终末消毒能力缓解了活体材料在临床转化中的生物危害顾虑。该研究还揭示了TLR2信号通路和脂磷壁酸在免疫调节中的潜在作用，为活体生物电子治疗炎症性疾病提供了机制依据。未来的活体生物电子系统或可扩展到其他共生菌、疾病模型和可穿戴治疗场景，推动个体化诊断与药物自由治疗策略的发展。