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    芝加哥大學田博之Nat. Rev. Mater.綜述 :無機半導體材料生物界面

     
     

    隨著半導體工業的蓬勃發展,人們關于無機半導體材料物理化學性質的知識已經相當豐富,也因此發展出了一整套成熟的器件加工工藝。除了在電子行業的廣泛應用外,許多無機半導體材料還具有良好的生物相容性,從而拓展了這類材料器件在生命科學和醫學領域的應用。早期的開創性研究包括哈佛大學Charles Lieber組發展的利用硅納米線場效應管測量局部生物電信號,西北大學John Rogers組開發的基于柔性硅膜的表皮電子器件和可生物降解器件,以及加州大學伯克利分校Paul Alivisatos組開展的基于量子點光致發光現象的生物熒光成像。除了可以接受生物信號來實現監測和傳感外,近年的研究表明,無機半導體材料還可以向生物體系輸入信號(電學,熱學,力學等)來調控生物體本身的行為,例如加州大學伯克利分校的楊培東組提出的基于無機半導體材料(硅納米線,量子點等)的人工光合作用,以及芝加哥大學田博之組開展的基于硅基生物材料(介孔硅顆粒,硅納米線,柔性硅膜等)的光控神經調制技術。

    【成果簡介】

    該領域前期的研究主要著眼于材料和器件本身的性能優化上,而材料和生物界面問題的重要性則往往被忽視。事實上,越來越多的研究指出,確保材料和生物體系在力學性質和物理尺寸上的匹配,以及合理設計跨越界面的信號或能量流動的模式才是實現高效的功能性生物界面的基礎。近日,在國際著名期刊Nature Reviews Materials上,芝加哥大學田博之組發表了題為Inorganic semiconductor biointerfaces的綜述文章,系統得歸納了現有的無機半導體材料生物界面的特性,以及其在生物物理和生物醫學方面的應用。在本文中,作者們首先討論了半導體物理的基礎知識和半導體器件的工作原理,并且著重強調了其在生理條件下相比于傳統固態條件下工作特點的不同之處。隨后,作者們總結了各種常見的無機半導體材料的合成和器件加工工藝,包括各種可能的零維,二維,二維和三維體系。最后,基于不同生物電子學和生物光子學器件在生物界面上的信號傳導機理,作者們將已有的研究分成了如下幾大類,包括電學和光電生物傳感,光電和光熱生物刺激以及光致發光生物成像,并且分別給出了對應的事例分析。最后,作者們提議未來的研究應當對材料的生物相容性進行系統的定量分析,并且指出了一些未來材料發展方向以及與其相關的重要生物學問題。本文的第一作者為原芝加哥大學化學系博士生,現斯坦福大學化工系博士后蔣圓聞,通訊作者為芝加哥大學化學系田博之教授。

    【圖文導讀】

    1:一些將無機半導體材料和器件用于生物研究的里程碑。詳見前言。

    2:無機半導體和生理液體界面的材料物理總結。

    a)直接和間接帶隙半導體的能帶結構區別。(b)常見半導體價帶導帶相對于真空能級和生理條件下氧化還原電對的位置。(c)半導體和電解質界面的能帶彎曲現象以及受其影響的光生載流子的流動。

    3:常見無機半導體器件的工作原理。

    a)場效應管(bpn結(c)光伏器件(d)發光二極管。

    4:各種維度的半導體材料和器件以及其可能形成生物界面類型。

    a)零維量子點可以用于人工光合作用和標記細胞內主動運輸過程。(b)一維納米線可以用于細胞內電生理記錄和促進微生物燃料電池。(c)二維薄膜可以用于加工瞬態電子學器件和非遺傳光電神經刺激。(d)三維介觀結構可以用來實現多功能細胞探針和類組織檢測網絡。(e)生物電子學和生物光子學界面包括電學檢測,光電檢測,光電刺激,光熱刺激和光致發光成像等。

    5:各種跨越生物界面的信號傳導模式。

    a場效應管可以用來檢測局部分析物濃度和細胞膜電位光電二極管可以用來檢測生物發光過程光伏器件可以通過光電容或光電化學過程來刺激細胞行為發光二極管結合光遺傳技術可以用來直接刺激細胞載流子符合產生的熱能可以用于改變細胞膜電容以實現細胞刺激納米尺度的無機半導體材料可以被細胞內吞,從而實現細胞內功能界面。(b)光電容(只涉及雙電容充放電)和光電化學(包括界面氧化還原反應)過程的區別。

    【小結和展望】

    無機半導體材料和器件由于其多樣的物理化學性質,良好的可加工性和生物相容性,已經被廣泛得用于生物物理學研究和生物醫學應用中。本文詳細得討論了無機半導體材料器件的合成加工和工作原理,深入得總結了跨越生物界面的各種信號傳遞機理,為此后的研究打下了堅實的基礎。盡管如此,在材料生物的界面上仍然有許多尚未完全回答的問題需要新的手段來進行深入的研究。新近開發的表征技術包括高速原子力顯微學,瞬態光譜,冷凍離子束刻蝕,高速超分辨顯微學等手段都可能得到前所未有的關于生物界面的高精度結構和功能信息。除此之外,新型的材料合成手段也可能為生物界面提供新的機遇。舉例來說,結合基因工程和生物礦化過程或許能夠定點定向得在特定細胞內腔室處合成具有特定形貌的納米半導體材料用于高精度生物檢測或者高效能生物調控。最后,除了傳統的電學活性的生物體系外,還有許多新的對象可以用無機半導體材料和器件來進行研究,包括細胞骨架的結構和基于運動蛋白的主動運輸過程,微生物群落內通訊,以及胚胎發育過程等。

    文獻鏈接:Inorganic semiconductor biointerfacesNat. Rev. Mater., 2018, DOI: 10.1038/ s41578-018-0062-3

    https://www.nature.com/articles/s41578-018-0062-3

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    1) Jiang, Y. W.,* Li, X. J.,* Liu, B.,* Yi, J., Fang, Y., Shi, F. Y., Gao, X., Sudzilovsky, E., Parameswaran, R., Koehler, K., Nair, V., Yue, J. P., Guo, K. H., Fang, Y., Tsai, H.-M., Freyermuth, G., Wong, R. C. S., Kao, C.-M., Chen, C.-T., Nicholls, A. W., Wu, X. Y., Shepherd, G. M. G., & Tian, B. Z., Rational design of silicon structures for optically controlled multiscale biointerfaces, Nature Biomedical Engineering 2, 508-521 (*These authors contributed equally to this work.)

    2) Jiang, Y. W.,* Carvalho-de-Souza, J. L.,* Wong, R. C. S.,* Luo, Z. Q., Isheim, D., Zuo, X. B., Nicholls, A. W., Jung, I. W., Yue, J. P., Liu, D.-J., Wang, Y. C., De Andrade, V., Xiao, X. H., Navrazhnykh, L. Weiss, D. E., Wu, X. Y., Seidman, D. N., Bezanilla, F. & Tian, B. Z. Heterogeneous silicon-based mesostructures for phospholipid-supported transient bioelectric systems. Nature Materials 15, 1023-1030 (2016). (*These authors contributed equally to this work.)

    3) Parameswaran. R., Carvalho-de-Souza, J. L., Jiang, Y. W., Burke, M., Zimmerman, J., Koehler, K., Phillips, A. W., Yi, J., Adams, E., Bezanilla, F., & Tian, B. Z. Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with freestanding coaxial silicon nanowires Nature Nanotechnology, 13, 260266 (2018)

    4) Fang, Y.,* Jiang, Y. W.,* Ledesma, H. A.,* Yi, J., Gao, X., Weiss, D. E., Shi, F. Y., & Tian., B. Z. Texturing Silicon Nanowires for Highly Localized Optical Modulation of Cellular Dynamics, Nano Letters 18, 4487-4492 (2018). (*These authors contributed equally to this work.)

    5) Luo, Z. Q.,* Jiang, Y. W.,* Myers, B. D., Isheim, D., Wu, J. S., Zimmerman, J. F., Wang, Z. A., Li, Q. Q., Wang, Y. C., Chen, X. Q., Seidman, D. N. & Tian, B. Z. Atomic gold-enabled three-dimensional lithography for silicon mesostructures. Science 348, 1451-1455 (2015). (*These authors contributed equally to this work.)

    6) Fang, Y.,* Jiang, Y. W.,* Cherukara, M. J.* Shi, F. Y., Koehler, K., Freyermuth, G., Isheim, D., Narayanan, B., Nicholls, A. W., Seidman, D. N., Sankaranarayanan, S. K. R. S., & Tian, B. Z. Alloy-assisted deposition of three-dimensional arrays of atomic gold catalyst for crystal growth studies, Nature Communications 8, 2014 (2017). (*These authors contributed equally to this work.)

    本文由芝加哥大學田博之組供稿,材料人編輯部編輯。

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