據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，一支由美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）和密蘇里大學(xué)（University of Missouri）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses”的論文，利用懸浮納米線，該研究團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)出一種微型傳感器，可以同時(shí)測量心臟組織中細(xì)胞的電和機(jī)械響應(yīng)，這項(xiàng)研究成果有望應(yīng)用于心臟疾病研究、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)。

圖1 納米晶體管傳感器概念與制造

細(xì)胞的電和機(jī)械響應(yīng)是人類心臟組織中的重要狀態(tài)指標(biāo)，可為心臟疾病研究、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)建立理想模型。由于這兩種活動通過興奮-收縮（EC）耦聯(lián)而復(fù)雜相關(guān)，因此同時(shí)測量它們對于識別生理和病理機(jī)制是非常必要和關(guān)鍵的。例如，細(xì)胞中EC耦聯(lián)的減弱可能導(dǎo)致心律失常，這可以通過跟蹤細(xì)胞的電和機(jī)械活動來揭示。盡管這很重要，但同時(shí)測量這兩個(gè)進(jìn)程仍然具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的光學(xué)方法依靠熒光標(biāo)記來指示生物電信號，依靠形態(tài)學(xué)跟蹤來檢測生物力學(xué)行為。將這兩種方法結(jié)合起來研究單個(gè)細(xì)胞中的EC動力學(xué)，可揭示單參數(shù)測量中遺漏的信息。然而，由于時(shí)間分辨率和可達(dá)性降低，它們在三維組織中快速動力學(xué)參數(shù)的可擴(kuò)展跟蹤方面受到限制，并且分子標(biāo)記可能會損害細(xì)胞收縮性或誘發(fā)毒性。

電子傳感器可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的無標(biāo)記、多通道信號采集。它們可以進(jìn)一步集成在柔性、多孔支架上以支配組織，索回其他技術(shù)難以獲取的深層組織信息。然而，目前的電子傳感器（如微電極和晶體管陣列）僅限于探測電或機(jī)械響應(yīng)的單一屬性。盡管異構(gòu)性在同步或可擴(kuò)展性方面帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，但研究人員最近已做出努力，他們將一個(gè)傳感器與一個(gè)互補(bǔ)傳感器結(jié)合起來以同時(shí)測量兩種屬性。例如，他們在原子力顯微鏡（AFM）探針上制造了納米圖案化微電極，用于在細(xì)胞中記錄力—電圖，而這在AFM設(shè)置中使用單個(gè)懸臂時(shí)在可擴(kuò)展性和可達(dá)性方面受到限制。微電極和叉指電極對也被結(jié)合起來用于同步記錄心臟組織中的電和機(jī)械活動。然而，通過阻抗測量進(jìn)行運(yùn)動跟蹤的叉指電極對的尺寸較大，這將測量限制為單個(gè)或少數(shù)器件規(guī)模，在組織層面的分辨率較低。

總體而言，結(jié)合兩種類型傳感器的策略不可避免地導(dǎo)致集成和/或信號采集的異質(zhì)性，這進(jìn)一步限制了可擴(kuò)展性和空間分辨率（即兩種傳感器增加了空間）。后者不僅在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分辨率的信號采集方面帶來挑戰(zhàn)，而且在研究相關(guān)動力學(xué)時(shí)，采集到的信號的空間差異也限制了其精度。此外，它還增加了對生物組織的侵襲性。與已開發(fā)的電子傳感器中的單一功能相比，生物細(xì)胞器通常融合多種感官機(jī)制以實(shí)現(xiàn)有效的并行信號傳遞。例如，神經(jīng)突不僅感知動作電位（AP），而且還感知機(jī)械刺激以進(jìn)行發(fā)育指導(dǎo)。

在本論文研究中，作者們從多功能生物纖維中獲得靈感，提出了一種能夠同時(shí)探測細(xì)胞的電和機(jī)械響應(yīng)的仿生集成納米電子學(xué)傳感器。該微型傳感器由三維懸浮半導(dǎo)體硅（Si）納米線構(gòu)成。所提出的器件通過將半導(dǎo)體硅納米線跨過微尺度桿或微桿而具有凸形結(jié)構(gòu)（圖1A）。襯底上的源極和漏極觸點(diǎn)以及支撐納米線頂點(diǎn)的微桿形成三角形配置以賦予結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。懸浮納米線的幾何自由度可將細(xì)胞力轉(zhuǎn)化為納米線中的機(jī)械變形或應(yīng)變變化（圖1B和C），從而可以通過壓阻效應(yīng)進(jìn)行電檢測。同時(shí)，納米晶體管還可以通過場效應(yīng)檢測動作電位（圖1C）。由于生物力學(xué)和生物電進(jìn)程可以落入不同的頻域，因此兩者都可以在單個(gè)器件中進(jìn)行電檢測和區(qū)分。

圖2 納米晶體管傳感器檢測藥物作用

圖3 機(jī)械傳感信號與細(xì)胞運(yùn)動的相關(guān)性

研究人員制造了一種仿生納米晶體管傳感器，并進(jìn)行了電學(xué)性能表征以揭示其在細(xì)胞的電和機(jī)械響應(yīng)信號采集方面的潛力。為進(jìn)一步揭示其在細(xì)胞藥理學(xué)和病理學(xué)研究中的應(yīng)用潛力，他們使用傳感器進(jìn)行了藥物測試實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果表明三維納米晶體管傳感器能夠捕獲到不同細(xì)胞階段的電和機(jī)械活動的細(xì)節(jié)。綜上，該新型納米晶體管傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的生物電子檢測，而且通過二合一的融合集成，減少了對生物組織的侵襲性。

論文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abn2485

審核編輯 ：李倩