開發(fā)精確靈敏的電生理記錄平臺對心臟病學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。近年來，有源微納生物電子器件取得了重大進展，從而促進了電生理學(xué)的研究。這些有源微納協(xié)同生物電子器件的獨特配置和卓越功能為大規(guī)模記錄高保真電生理信號提供了可能。

近期，浙江大學(xué)胡寧等在Nano-Micro Letters期刊上發(fā)表了題為“Active Micro-Nano-Collaborative Bioelectronic Device for Advanced Electrophysiological Recording”的綜述性論文，總結(jié)了有源微納晶體管作為細胞電生理記錄檢測技術(shù)的研究進展?；?a target="_blank">半導(dǎo)體特性的有源微納生物電子器件可以利用微納技術(shù)實現(xiàn)生物體內(nèi)更小尺寸的信號檢測，這對于研究離體細胞和體內(nèi)組織的工作機制具有重要意義。與無源生物電子器件相比，有源生物電子器件由于具有放大和開關(guān)電流的能力，可以放大生物體對微弱電信號的響應(yīng)，從而獲得更高質(zhì)量的電生理參數(shù)。在該論文中，作者首先分別討論了三維有源納米晶體管和平面有源微晶體管的工作原理、制備和性能。其次，總結(jié)了有源微納晶體管在心臟和神經(jīng)電生理方面的應(yīng)用。最后，展望了有源微納晶體管的前景趨勢及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

有源微納晶體管原理

納米晶體管是一種基于半導(dǎo)體材料的器件，它通過控制半導(dǎo)體中的載流子密度來控制電流。納米晶體管有三個電極：漏極、源極和柵極，在漏極和源極之間形成由半導(dǎo)體制成的導(dǎo)電通道。為了提供三維有源納米晶體管記錄的可視化表示，利用等效電路來模擬細胞和納米晶體管之間的耦合（圖1a）。V?是指細胞的動作電位，而Cnj和Rnj分別表示非結(jié)電容和電阻。C?為結(jié)電容，R?表示結(jié)電阻，Rseal表示密封電阻。動作電位發(fā)生后，V?從細胞內(nèi)擴散。柵極電壓對應(yīng)于連接電位V?，而V?的變化調(diào)節(jié)了源極和漏極之間納米晶體管的電導(dǎo)。納米晶體管中細胞-電極耦合的有效性可以通過V?與V?的比值來評估，其中越高的比值表明耦合越好，因此記錄能力越強。圖1b~1d顯示了納米晶體管對同一心肌細胞的細胞外和細胞內(nèi)記錄。對于細胞外電生理信號，細胞膜仍然未被穿透，因此表現(xiàn)出高阻抗。對于胞內(nèi)電生理信號，穿透后細胞與納米晶體管柵極直接接觸，阻抗值接近于零。由于膜阻力的衰減，胞外信號呈現(xiàn)出與胞內(nèi)信號不同的形狀。



圖1 （a）模擬細胞/納米晶體管耦合和記錄電信號的等效電路模型；（b-c）三維納米晶體管的結(jié)構(gòu)和SEM照片；（d）納米晶體管與心肌細胞接觸后記錄的典型細胞外和細胞內(nèi)動作電位。

平面有源微晶體管的生物傳感器，如石墨烯微晶體管，成為生物電子應(yīng)用的一個有吸引力的選擇。石墨烯具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，這對于集成生物系統(tǒng)和在沒有保護介電層的情況下應(yīng)用場效應(yīng)管至關(guān)重要。石墨烯納米電子學(xué)中場效應(yīng)機制的利用促進了初始微晶體管的發(fā)展，由于其極高的載流子遷移率，與大多數(shù)已建立的半導(dǎo)體相比，微晶體管表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。細胞電化學(xué)門控石墨烯場效應(yīng)晶體管（EGFET）之間的測量如圖2a~b所示，其中細胞位于石墨烯表面。一個穩(wěn)定的偏置電壓被施加到漏極和源極，它們由石墨烯導(dǎo)電通道連接。石墨烯通道中的電流被放大并連續(xù)監(jiān)測。由細胞動作電位引起的任何局部動作電位變化都會調(diào)節(jié)石墨烯中的源漏電流。所構(gòu)建的石墨烯場效應(yīng)晶體管具有高靈敏度和低噪聲，足以測量電興奮細胞中的細胞外電信號（圖2c）。

圖2 （a）硅晶片上的EGFET照片和EGFET尺寸示意圖；（b）EGFET等效電路圖；（c）同一芯片上30個FET的靈敏度分布比（左），在FET上培養(yǎng)的神經(jīng)元的免疫熒光圖和記錄的電信號軌跡（右）。

有源微納晶體管的制造與性能

Lieber教授團隊最初報道了一種新的合成方法，將金納米團簇催化的蒸汽-液體-固體（VLS）和蒸汽-固體-固體（VSS）沿納米線（NW）生長方向的生長模式結(jié)合起來，生產(chǎn)出具有超尖端可控短通道納米線（圖3a）。在隨后的研究中，該團隊展示了一系列納米線場效應(yīng)晶體管和分支納米管探針。其中，通過VLS法反應(yīng)改變蒸汽壓制備扭曲納米線探針，得到120°彎曲結(jié)構(gòu)，并通過電子束光刻遠程電互連將扭曲納米線結(jié)構(gòu)與襯底分離（圖3b）。除了傳統(tǒng)的自下而上或自上而下的制造工藝外，Yue Gu等采用壓縮屈曲技術(shù)實現(xiàn)了可擴展的三維有源納米晶體管，用于細胞內(nèi)多位點動作電位的記錄（圖3c）。制造過程首先是使用標(biāo)準(zhǔn)的微納制造技術(shù)生產(chǎn)多層二維前驅(qū)體，然后將其轉(zhuǎn)移和區(qū)域鍵合到預(yù)應(yīng)變彈性體基板上。隨后，釋放預(yù)應(yīng)變彈性體襯底，生成三維結(jié)構(gòu)。此外，納米級雙碳電極可以通過將熱解碳沉積到石英納米吸管中來制造（圖3d）。在矛形雙碳納米電極的尖端沉積一層薄的半導(dǎo)體材料后，可以生產(chǎn)出具有兩個單獨可尋址電極作為漏極和源極的納米場效應(yīng)晶體管。

圖3 （a）金納米團簇催化納米線生長的示意圖和短通道納米線FET電興奮細胞之間的界面；（b）納米晶體管制造工藝；（c）10-FET陣列與心肌細胞界面示意圖（上左），10-FET陣列的多層結(jié)構(gòu)圖（上右），從平面多層結(jié)構(gòu)到三維結(jié)構(gòu)的偽彩色SEM照片（下）；（d）場效應(yīng)晶體管納米傳感器原理圖及SEM照片。

圖4a~b展示了微晶體管在記錄雞胚胎心肌細胞電生理信號中的新應(yīng)用，表明了微晶體管在細胞電生理中的潛力。觀察到的Vwg變化突出了電導(dǎo)信號幅度的調(diào)制近一個數(shù)量級，同時保持石墨烯/細胞界面的穩(wěn)定。此外，Jose A. Garrido等人使用基于石墨烯的溶液場效應(yīng)晶體管來檢測細胞信號（圖4c~d）。該陣列采用化學(xué)氣相沉積（CVD）在銅箔上生長大面積石墨烯薄膜，由于其尺寸和大規(guī)模生產(chǎn)的低成本可行性，為石墨烯薄片的制備提供了更有利的技術(shù)平臺。

圖4 （a）石墨烯微晶體管和硅場效應(yīng)晶體管設(shè)計原理圖；（b）拉曼光譜對應(yīng)于石墨烯微晶體管（左）和典型石墨烯微晶體管的門響應(yīng)（右）；（c）石墨烯微晶體管原理圖，石墨烯位于漏極和源極金屬觸點之間（上），石墨烯微晶體管陣列中8個晶體管的顯微鏡圖像（下）；（d）同一微晶體管陣列中8個不同器件的晶體管電流門電壓曲線和相應(yīng)的跨導(dǎo)門電壓曲線。

有源微納晶體管的應(yīng)用

目前，利用三維納米晶體管的細胞內(nèi)記錄最接近真實動作電位。BIT-FET是一種細胞內(nèi)納米管FET，在心肌細胞中表現(xiàn)出較高精確的動作電位記錄，其振幅為75~100 mV，持續(xù)時間為~200 ms（圖5a）。納米器件的可擴展性和微創(chuàng)性對于并發(fā)、長時間監(jiān)測心肌細胞至關(guān)重要。確定形狀控制的納米線，加上空間定義的半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)換，促進了尖端幾何形狀和傳感器尺寸可控的可擴展三維納米晶體管的生產(chǎn)，從而使初級神經(jīng)元能夠記錄高達100 mV的細胞內(nèi)動作電位（圖5b（i））。對神經(jīng)元（圖5b（ii））和心肌細胞（圖5b（iii））的研究表明，設(shè)備曲率和傳感器尺寸的調(diào)節(jié)對于獲得高振幅的細胞內(nèi)記錄至關(guān)重要。圖5c展示了一個三維納米電子陣列，包含64個亞細胞大小和亞毫秒時間分辨率的位點。同步多位點刺激可以控制動作電位傳播的頻率和方向，為心臟電生理的時空記錄提供了一種新的方法。同樣地，具有高孔隙度和細胞/亞細胞特征尺寸的三維大孔納米電子腦探針可以優(yōu)化神經(jīng)元/探針界面，促進與腦組織的整合，使機械擾動最小化。這一探針成功地記錄了大鼠體感覺皮層的多路局部場電位和單細胞動作電位（圖5d）。

圖5 （a）（i）從細胞外記錄到細胞內(nèi)記錄的典型轉(zhuǎn)變，(ii)（i）中黑色虛線框內(nèi)的放大視圖（左）和紅色虛線框內(nèi)的放大視圖（右），（iii）兩個BIT-FET器件與心肌細胞耦合的顯微鏡圖像及相應(yīng)的電生理信號記錄；（b）（i）U-NWFET細胞內(nèi)記錄示意圖，（ii）在通道長度為50 nm的FET探針下，從初級神經(jīng)元記錄的細胞內(nèi)信號為0.75 μm的ROC曲線，（iii）通道長度為~2000 nm、ROC為1.5 μm的FET記錄的HiPSC-CMs的細胞外電信號（左）和通道長度為~50 nm、ROC為0.75 μm的FET記錄的HiPSC-CMs的細胞內(nèi)電信號（右）；（c）（i）具有納米線場效應(yīng)晶體管陣列的納米電子支架和與心臟組織共培養(yǎng)的3D折疊支架示意圖，（ii）納米電子支架中16個傳感器記錄的電信號模式；（d）（i）腦內(nèi)探針植入示意圖，（ii）大孔探頭示意圖和典型納米線場效應(yīng)晶體管的顯微照片，（iii）用納米線場效應(yīng)晶體管傳感器在大鼠大腦皮質(zhì)區(qū)記錄作圖。

Jose A Garrido等人在2016年（圖6a）采用柔性石墨烯微晶體管類似地測量了心肌細胞的電生理信號，證明了聚酰亞胺襯底上基于CVD石墨烯的GSFET具有高電導(dǎo)性。Andreas Offenh?usser等人提出了一種由平面外柵泄漏電流產(chǎn)生的電化學(xué)退火/洗滌效應(yīng)，可以記錄離體心臟組織和HL-1細胞系的外電位（圖6b）。此外，首次在體外記錄了石墨烯晶體管具有可區(qū)分的神經(jīng)元信號。Cécile Delacour等人報道了在石墨烯晶體管陣列上培養(yǎng)數(shù)周的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中離子通道活性的場效應(yīng)檢測。

石墨烯晶體管對電位門控的依賴性如圖6c所示，在從VLG = 0到0.8 V的柵極電位范圍內(nèi)，信號的幅度大致保持恒定。圖6d展示了最先進的石墨烯裝置陣列與微流控相結(jié)合，用于培養(yǎng)和感知初級神經(jīng)元。通過免疫熒光染色和鈣成像評估神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的最終結(jié)構(gòu)，并通過電信號記錄證明神經(jīng)元的電成熟度。這個新平臺的結(jié)合為未來診斷和治療的全面發(fā)展提供了機會。此外，各種分子，如蛋白質(zhì)、金納米棒可以通過微流控通道選擇性遞送到靶細胞，同時監(jiān)測心肌細胞/神經(jīng)元的電活動和各種生化信號，為早期病理研究提供了新的途徑（圖6e）。

圖6 （a）聚酰亞胺基板上柔性GFET示意圖（左），記錄柔性GFET中HL-1細胞的熒光圖像和電生理信號；（b）（i）GFET記錄的心臟組織照片和記錄的電生理信號軌跡，（ii）在GFET上培養(yǎng)HL-1細胞的光學(xué)顯微照片和典型電生理信號痕跡，（iii）神經(jīng)元的時間記錄軌跡；（c）40 μm × 250 μm石墨烯晶體管上神經(jīng)元的光學(xué)顯微照片和從多個柵極記錄的電導(dǎo)-時間曲線；（d）（i）結(jié)合微流控的GFET陣列的光學(xué)顯微照片和晶體管上流體微通道的器件布局，（ii）石墨烯晶體管上培養(yǎng)神經(jīng)元的免疫熒光圖像，（iii）石墨烯晶體管培養(yǎng)神經(jīng)元的電信號記錄圖譜；（e）在細胞信號傳遞過程中，細胞外電信號被電或化學(xué)記錄。

綜上所述，有源微納生物電子器件的發(fā)展對于實現(xiàn)電生理信號的記錄具有重要意義。首先，三維有源納米晶體管器件表現(xiàn)出與界面阻抗的獨立性，從而能夠記錄全振幅的細胞內(nèi)電位。三維納米器件的納米級尺寸有助于微創(chuàng)細胞內(nèi)記錄。其次，石墨烯微晶體管具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性和極高的載流子遷移率，可以在心臟和神經(jīng)中記錄電生理信號。基于場效應(yīng)晶體管納米電子學(xué)的優(yōu)勢，有源微納生物電子學(xué)器件能夠準(zhǔn)確靈敏地獲取心臟和神經(jīng)的電生理信息，并已廣泛應(yīng)用于疾病建模和細胞網(wǎng)絡(luò)中。

論文鏈接： https://doi.org/10.1007/s40820-024-01336-1



審核編輯：劉清