芝加哥大学田博之Nat. Biomed. Eng.：硅基生物界面材料，非遗传光控神经调制

引言

过去十余年间，得益于半导体微纳加工技术的迅速发展，柔性硅基器件在生物物理与生物医学研究领域得以广泛应用。代表性的研究包括Charles Lieber组在哈佛大学的细胞内动作电位记录工作，以及John Rogers组在西北大学的高密度柔性二维硅阵列用于心脏和大脑电生理记录的开创性成果。相较于现有的硅基生物电子学器件主要进展在有外加导线的记录设备上，可以无线控制的硅基生物界面材料研究尚在起步阶段。这项研究凭借在无需遗传操作的情况下实现精准光控神经调制的潜力，预示了其在临床应用上的广阔前景。

成果简介与图文导读


1.基于生物体性质设计的多尺度硅结构




作者团队聚焦生物体的基本力学特性，设计了一系列跨越亚细胞、微米至毫米尺度的硅材料构建。这样的结构设计旨在与生物体系匹配，包括硅纳米线、硅薄膜和PDMS基底支撑的硅网，以灵活应对细胞器、细胞培养和脑组织等不同的应用场景。通过安全的化学合成调控，如调整硅掺杂浓度梯度、控制系统结晶性与表面化学处理等策略，材料的物理化学性质得以优化。

2.测量与优化光响应的膜片钳技术

在获得近30种不同的硅材料后，研究团队开发了应用广泛的测量和量化光响应的方法，涉及电容电流、法拉第电流与光热效应的综合分析。通过细胞电生理记录的膜片钳技术评估材料在生理盐水中的表面对光的响应。借助反向拟合不同钳制电压下的光致电流与基线电流关系，建立了量化矩阵，全面描绘了特定材料在光照下的响应特性。

3.优化材料设计的定量矩阵实例

以硅膜的光电特性变化为例，p型硅结构转变为pin结型结构后，二极管内部电场显著提升载流子分离效率，光致电容电流可增强两个数量级；通过伽伐尼置换反应沉积金薄膜，进一步提高光致电容电流一个数量级，同时法拉第电流也增强两个数量级；而硅纳米线相较于微米尺度膜减少光电效应，并随尺寸减小增大光热效应。

4.硅响应物理化学过程与生物应用的探索

针对每一种光响应，研究团队优化了最佳材料条件与应用策略，包括独特的同轴硅纳米线、光仅为产生电容电流的二极管硅膜和含有金修饰层的二极管硅膜等，这些材料及其相配的生物系统被设计用于光控制响应。特别是通过激光激活胶质细胞内吞的硅纳米线并引发周边神经元活性传播，证明了跨界神经活动调控的可能性。对于表面未修饰的二极管硅膜，聚集光照下激活贴附其上的神经细胞，整个刺激方法展现出亚微米级别和亚毫秒级别的时空分辨率超越传统电刺激。

5.光干扰脑活性与前肢运动的验证

金修饰的二极管硅膜通过光刻、离子束刻蚀与湿法转移等微纳加工工艺，与柔性的PDMS基底结合，适应脑组织表面复杂的弯曲形状。借助更高级的生物交互实验，研究证实了在光照条件下刺激老鼠后脑皮层可引发显著的前肢动作，甚至精确到控制一侧刺激引起对侧前肢运动或一侧前肢运动与另一侧肢体的协调。

小结

综上所述，该研究深入探究了硅材料在光照下的物理化学变化及其对生物体功能的多尺度调控。通过结合现有电刺激与光遗传刺激的优点，硅基生物界面材料实现非遗传光控神经调制，为未来无线人机交互界面的构建奠定基础。这不仅展现了在生物医学领域应用的创新潜力，还为神经科学、生物工程和临床治疗等领域带来了新的启示与机遇。

文献链接与相关研究概述


本研究不符实际实现原文内部链接，不过参考文献提及的研究为：

1) Luo, Z. Q., Jiang, Y. W., Myers, B. D., Wu, J. S.等，（2015年）。Science，348, 14511455。

2) Jiang, Y. W., CarvalhodeSouza等，（2016年）。Nature Materials，15, 10231030。

3) Fang, Y., Jiang, Y. W., Cherukara等，（2016年）。Nature Communications，8。

4) Parameswaran等，（2018年）。Nature Nanotechnology，13。

研究由芝加哥大学田博之组提供和撰写，特此致谢。相关研究内容源自“材料牛”平台，可点击原文链接[链接]处获取更多详细内容。