TUhjnbcbe - 2021/3/1 2:38:00
当前的生物电子学应用如药物输送系统，组织和器官的生物传感和电调制等大都需要宏观的生物界面。然而，宏观生物电子设备通常是刚性的，且对细胞和组织具有机械侵入性。设备较大的尺寸也难以形成亚细胞生物界面。许多设备还在电极表面显示出法拉第反应，产生有毒的反应性物质，腐蚀电极，并对相邻的组织造成永久性损害。近日，美国芝加哥大学YinFang与田博之教授等合作，采用胶束自组装的方法（micelle-enabledself-assemblyapproach）制备了无粘合剂的碳基整体设备，用于大面积的生物电子界面。该器件具有多孔结构，叉指状的微电极布局以及类似超级电容器的性能。在细胞训练过程中，研究人员使用该设备在亚细胞水平上调节原代心肌细胞的收缩率，使其达到体外目标频率。研究人员还实现了对离体心脏，视网膜组织和坐骨神经的电生理的电容控制，以及生物电子心脏传感。该研究将碳基多孔膜材料的应用领域从能源领域拓宽到了生物电子领域，并以题为“Micelle-enabledself-assemblyofporousandmonolithiccarbonmembranesforbioelectronicinterfaces”的论文发表在最新一期的《NatureNanotechnology》上。研究人员制备了整体与分层的碳膜。通过将纳米胶束溶液旋涂至热氧化硅晶圆上，蒸发溶剂诱导自组装（图1a），堆积的胶束被碳化，从而形成中孔碳膜，孔径约7nm（图1b）。为了降低碳膜的刚度以改善对软生物界面的顺应性，研究人员还引入了孔径大于50nm的大孔（图1c），并利用layer-by-layer的方法制备了分层的不同孔径的碳膜（图1e）。这种多孔层状结构的电化学器件可以提供有效的电容性电流，在形成生物界面时有利于生物调制。图1分层多孔碳的制备与表征随后，基于制备出的多孔碳膜，研究人员制备出了类似于微型超级电容器的叉指状器件。穿刺变形的机械模拟表明，与均匀覆盖的多层器件相比，叉指状的图案可以降低碳层和金属层中的最大vonMises应力。在电化学测试中，器件在不同的生理电解质如Na2SO4、DMEM（一种细胞培养基）以及PBS中都表现出了良好的电荷传输性能。在长达一个月的37°CPBS溶液浸没测试中，器件电容无明显变化，且在至少次的不间断循环过程中表现出了优异的电化学和机械稳定性（图2）。图2器件制备与表征器件还具有良好的生物兼容性，其表面的心肌细胞在三天之后仍保持着近%的存活率。对器件进行皮下植入后4周，没有发现炎症反应或是组织损伤。研究人员还证实了细胞可以在设备表面扩散并形成亚细胞界面，并可以通过电容性电荷注入操作，以生物相容的方式对心肌细胞进行步调或训练，而不会产生法拉第反应。（图3）图3体外生物训练进一步的实验中，研究人员对离体的小鼠视网膜进行了刺激实验，以探究设备是否可以调节完整神经回路中的活动。结果表明，超级电容器-光感受器界面的充电和放电刺激引起了光感受器神经元释放谷氨的变化，成功激活了视网膜网络。此外，研究人员还借助该设备实现了心脏起搏与肢体驱动。小结：作者采用胶束自组装的方法制备了分层多孔碳膜，并制备了叉指状器件用于大面积的生物电子界面。实现了对离体心脏，视网膜组织和坐骨神经的电生理的电容控制，以及生物电子心脏传感。将碳基多孔膜材料的应用领域从能源领域拓宽到了生物电子领域。作者简介：田博之，男，芝加哥大学助理教授，年斯隆研究奖获得者，《麻省理工科技评论》杂志“年TR35全球杰出青年创新人物”。年被美国总统奥巴马授予的“美国青年科学家总统奖”。年毕业于西安交通大学附属中学，年通过全国高中化学竞赛决赛保送复旦大学化学系本硕连读，师从赵东元院士。6年间发表科学论文25篇，以第一作者身份在国际化学专业顶级刊物上发表论文6篇，年被复旦大学破格授予博士学位。同年获得哈佛大学全额奖学金，师从全美十大最有影响力的科学家、美国科学院院士CharlesLieber。-年间于麻省理工学院进行组织工程和再生医学的博士后工作，目前任芝加哥大学教授。主要研究方向为人造细胞交互、细胞组织纳电子研究、仿生纳米材料与设备开发等。全文链接：