Shattering the Water Window: Comprehensive Mapping of Faradaic Reactions on Bioelectronics Electrode

打破水窗：生物電子電極上法拉第反應(yīng)的全面映射

來源：ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 53567?53576

摘要核心內(nèi)容

論文挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)“水窗”（Water Window）概念（即電極在特定電位范圍內(nèi)僅發(fā)生電容性電荷轉(zhuǎn)移而無顯著水分解）。研究表明：

水窗的復(fù)雜性：在含蛋白質(zhì)的細(xì)胞培養(yǎng)基（DMEM+FBS）中，幾乎不存在無法拉第反應(yīng)的電位區(qū)間。

關(guān)鍵反應(yīng)：氧還原（ORR）、析氫（HER）、析氧（OER）、氯氧化（生成次氯酸鹽）和鉑銥溶解在生物電極界面普遍發(fā)生。

影響因素：電解質(zhì)成分（如PBS vs. 培養(yǎng)基）顯著改變反應(yīng)類型、起始電位及產(chǎn)物濃度。

研究目的

系統(tǒng)繪制PtIr電極上的法拉第反應(yīng)圖譜（PtIr是臨床植入設(shè)備最常用電極材料）。

量化生物介質(zhì)中水分解、氧還原、氯氧化等反應(yīng)的起始電位、產(chǎn)物濃度及動(dòng)力學(xué)。

揭示電解質(zhì)成分（尤其含蛋白質(zhì)培養(yǎng)基）對(duì)反應(yīng)窗口的影響，為神經(jīng)接口安全性和新型應(yīng)用（如電控藥物遞送）提供依據(jù)。

研究思路

電極與電解質(zhì)選擇：

電極：商用PtIr（90:10合金）立體腦電圖（SEEG）電極。

電解質(zhì)：PBS（簡(jiǎn)單緩沖液）、無緩沖Na?SO?、DMEM+FBS（含蛋白質(zhì)的細(xì)胞培養(yǎng)基）。

多技術(shù)聯(lián)用：

電化學(xué)技術(shù)：循環(huán)伏安（CV）、計(jì)時(shí)電流法（圖1d, 2, 3a, 5）。

直接產(chǎn)物定量：

Unisense微傳感器（丹麥）：原位測(cè)量局部O?、H?、pH（圖1b, 3, 5）。

分光光度法：H?O?、OCl?濃度（圖4, 6a）。

ICP-MS：Pt/Ir離子溶解量（圖6b,c）。

對(duì)比分析：

不同電解質(zhì)中的反應(yīng)差異（如ORR效率、HER起始電位）。

局部微傳感器數(shù)據(jù) vs. 體相產(chǎn)物積累數(shù)據(jù)（如H?O?在培養(yǎng)基中的快速消耗）。

測(cè)量數(shù)據(jù)、意義及對(duì)應(yīng)圖表

測(cè)量指標(biāo) 研究意義 數(shù)據(jù)來源

O?濃度梯度 證實(shí)ORR導(dǎo)致電極附近缺氧（影響細(xì)胞代謝），為電控缺氧研究提供工具（圖3c,d）。 圖3a-d（Unisense OX-50傳感器）

H?O?生成 量化PtIr的ORR兩電子路徑產(chǎn)物（信號(hào)分子/細(xì)胞毒性），揭示培養(yǎng)基中H?O?快速消耗機(jī)制。 圖4a-b（WPI傳感器 + TMB分光光度法）

H?生成與HER起始 精確測(cè)定HER起始電位（PBS: -650 mV；培養(yǎng)基: -550 mV），揭示介質(zhì)成分降低過電位。 圖5a（Unisense H2-50傳感器）

局部pH變化 證實(shí)HER導(dǎo)致堿化（pH>10），OER導(dǎo)致酸化；培養(yǎng)基緩沖能力抑制pH波動(dòng)（圖5b）。 圖5b（Unisense PH-200傳感器）

OCl?生成 首次量化PtIr上氯氧化產(chǎn)物（強(qiáng)氧化劑），在PBS中>1.1 V時(shí)達(dá)μM級(jí)（圖6a），培養(yǎng)基中快速消耗。 圖6a（TMB分光光度法）

Pt/Ir溶解 證實(shí)>1 V時(shí)顯著溶解（Pt:Ir≈10:1），溶解離子（如[PtCl?]2?）可能具細(xì)胞毒性（圖6b,c）。 圖6b-c（ICP-MS）

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義

丹麥Unisense微傳感器的應(yīng)用是論文的關(guān)鍵技術(shù)突破，其意義包括：

空間分辨率（50-200 μm）：

首次直接繪制PtIr電極附近的O?消耗梯度（圖3c,d）：在-400 mV時(shí)，距電極100 μm處[O?]降至3%（vs. 21%飽和值），證實(shí)電化學(xué)脫氧可創(chuàng)造局部缺氧微環(huán)境（影響細(xì)胞行為）。

原位動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)：

HER起始電位精確測(cè)定（圖5a）：排除體相干擾，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中HER起始電位（-550 mV）比PBS（-650 mV）更低，表明介質(zhì)成分催化HER或存在有機(jī)物還原產(chǎn)H?。

局部pH實(shí)時(shí)變化（圖5b）：直接關(guān)聯(lián)HER與堿化（ΔpH≈3）、OER與酸化，但培養(yǎng)基中因有機(jī)緩沖無顯著變化，解釋生物環(huán)境中pH穩(wěn)定性。

反應(yīng)機(jī)制驗(yàn)證：

結(jié)合O?/H?/pH多參數(shù)，明確區(qū)分ORR（O?↓, pH↑）、HER（H?↑, pH↑↑）和OER（O?↑, pH↓）的電位區(qū)間，修正傳統(tǒng)CV解讀的模糊性（圖5）。

? 總結(jié)：Unisense數(shù)據(jù)揭示了電極-生物界面微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，證明傳統(tǒng)“水窗”在生理介質(zhì)中失效，并為設(shè)計(jì)安全神經(jīng)刺激協(xié)議（如避免缺氧/堿化）提供直接依據(jù)。

核心結(jié)論

水窗的重新定義：

PBS中“安全窗口”僅+300 ~ +600 mV（ORR起始至OER起始），DMEM+FBS中幾乎不存在無反應(yīng)窗口（圖2, 5）。

關(guān)鍵反應(yīng)及其影響：

ORR：從+300 mV開始，造成局部缺氧（圖3），生成H?O?（PBS中FE<5%，圖4d）。

HER：介質(zhì)中起始電位提前至-550 mV，伴隨強(qiáng)堿化（圖5）。

氯氧化與溶解：>1.1 V時(shí)生成OCl?（圖6a）和可溶性Pt/Ir離子（圖6b,c），潛在細(xì)胞毒性。

電解質(zhì)的核心作用：

培養(yǎng)基中抗氧化成分抑制OER/H?O?積累，但促進(jìn)HER及有機(jī)物氧化（圖2b, 4c, 5a）。

生物醫(yī)學(xué)啟示：

神經(jīng)刺激需避免ORR（缺氧）、HER（堿化）及>1 V區(qū)間（毒性產(chǎn)物）。

法拉第反應(yīng)可被利用：如電控缺氧研究（ORR）、靶向藥物遞送（H?O?）、組織消融（OCl?）。

對(duì)生物電子學(xué)的貢獻(xiàn)

論文建立了多參數(shù)原位檢測(cè)法拉第反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法，尤其Unisense微傳感器技術(shù)為電極-生物界面研究提供范式。成果推動(dòng)兩大方向：

安全性優(yōu)化：制定電位安全區(qū)間，避免副產(chǎn)物損傷組織。

功能化應(yīng)用：利用特定反應(yīng)（如ORR致缺氧、OCl?消融）開發(fā)新型電控治療策略。