Small Methods: 无机纳米生物电子材料用于生物界面,调控与传感的研究进展综述

在过去几年,微米及亚微米尺度的电子器件在生物电子领域展示出重要应用。例如,用于神经信号传感的犹他电极和密西根电极阵列尺寸越来越小,精度不断提高,对生物体的损伤也越来越小。而集成了传感、调控、能源供给及控制单元,进行一体化设计的电子器件,构成了新的闭环系统,也是生物电子领域的研究前沿和热点。此类器件在大尺寸上的集成,可以展现出卓有成效的系统应用,比如具有传感反馈功能的仿生手、可调节大鼠膀胱功能的闭环光遗传装置等。这些新进展为未来纳米生物电子的发展提供了思路。可以预见,更加集成化的、闭环的系统将在生物医疗等领域的取得重要进展。

纳米材料和器件在生物研究中具有很多独特的优势。当材料尺寸小到纳米尺度后就会表现出很多独特的光学,电学及磁学性能。纳米电子器件可以检测宏观组织/器官到单个细胞/细胞器尺度的电学与生理学之间的耦合作用。使用纳米材料和纳米电子器件不仅为生理电信号传导通路的研究开启了大门,也为靶向治疗提供了有效方法。

近日,芝加哥大学田博之副教授总结了最新的研究进展和文献报道,在Small Methods上发表了题为“Biological Interfaces, Modulation, and Sensing with Inorganic Nano-Bioelectronic Materials”的综述论文(DOI:10.1002/smtd.201900868),该文第一作者为芝加哥大学博士生Erik Schaumann。

论文从生物界面形成、调控及传感三个各方面进行了深入讨论和综述。文章对无机纳米生物电子器件和有机纳米生物电子器件的主要特征进行了论述,文中的无机纳米生物电子器件主要由半导体与金属构成,有机纳米生物电子器件主要指由碳基及生物基纳米材料构成的器件。作者在文中介绍:制备无机纳米材料阵列已经能够实现结构与功能的精确调控,但是制备工艺复杂,价格较高,而且在生物体内可能因为不能降解而产生蓄积效应等副作用;而有机纳米材料生物相容性好,经过适当修饰后可以与其他材料结合,共同构建生物电子器件,有利于减少细胞骨架与生物电子器件之间的力学不匹配,从而避免与细胞之间生物相容性问题。文中也提到,与已有报道的无机纳米材料相比,用于生物电子器件的有机纳米材料种类有限,材料的降解行为也会对器件的长期稳定性产生影响。