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  近年來，生物電子學(xué)領(lǐng)域的一系列研究進(jìn)展使生物性的細(xì)胞、組織、器官與非生物性的電子設(shè)備間的界面漸趨模糊，開啟了生物體與非生物體可視化雙向溝通的時(shí)代，并使得原本只存在于科幻世界的“電子人”有可能走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。生物電子芯片的根本是通過傳感器傳導(dǎo)和記錄電信號(hào)，監(jiān)測(cè)、調(diào)控電興奮類細(xì)胞的電生理特征。其中，調(diào)控芯片組成，使其與周圍生物組織間形成穩(wěn)定且良好的電子傳輸通道是生物電子器件發(fā)揮作用的關(guān)鍵。因此，開發(fā)具有良好生物相容性且具有生物活性的電絕緣性材料，保證電子芯片功能性的前提下，促進(jìn)其與細(xì)胞間的融合具有重要的意義。

  美國塔夫茨大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Brian Timko教授研究團(tuán)隊(duì)，從天然的蠶絲蛋白出發(fā)，通過簡單的化學(xué)改性制備了可光交聯(lián)絲蛋白（PSF），展示了其類比于傳統(tǒng)光刻膠SU8的光加工性能，電絕緣性能、增強(qiáng)的神經(jīng)細(xì)胞黏附性能。并以PSF為微電極陣列芯片的生物相容絕緣層，成功記錄了HL-1心肌細(xì)胞，小鼠心臟組織及大腦切片的電生理信號(hào)。相關(guān)工作以“Photo-crosslinkable, insulating silk fibroin for bioelectronics with enhanced cell affinity” 為題發(fā)表在PNAS 上。

圖一：可光交聯(lián)蠶絲蛋白制備路線圖。天然蠶絲中的絲芯蛋白經(jīng)過一步甲基丙烯酸酯化反應(yīng)，即可具備紫外光交聯(lián)能力。

圖二：蠶絲蛋白光刻膠（PSF）的微加工性能。（a），PSF用作負(fù)性光刻膠加工示意圖。在紫外光及合適掩模版作用下，PSF可加工為任意形狀的圖案。PSF在普通的光刻機(jī)上具有適用性。（b-d），光學(xué)及電子顯微鏡下PSF-TUFTS logo，顯示其具有~1μm的空間分辨率。（e），玻璃基底上制備的十字交叉型PSF圖案。內(nèi)嵌小圖展示了沿紅色虛線所示圖案的高度，圖案具有鋒利邊界。（f），PSF均勻膜的厚度能夠通過溶液濃度和涂膜轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確調(diào)控。（g）通過刻蝕基底犧牲層可獲得具有高柔韌性、自支撐性的PSF十字交叉型結(jié)構(gòu)。

圖三：PSF用于生物電子芯片檢測(cè)電生理信號(hào)。（a）阻抗測(cè)試裝置示意圖。（b），不同濃度PSF溶液制備的薄膜阻抗譜。200nm蒸鍍的二氧化硅膜為對(duì)照組。（c-d），PSF電絕緣的微電極陣列結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖。（e），光學(xué)顯微鏡下單個(gè)電極及導(dǎo)線，其中導(dǎo)線部分由PSF進(jìn)行絕緣包覆。（f），培養(yǎng)在微電極上的HL-1心肌細(xì)胞電鏡圖。粉色，亮黃及暗黃色分別指示細(xì)胞，電極，及PSF絕緣層。（g），以PSF為絕緣層的微電極陣列測(cè)試不同培養(yǎng)天數(shù)下，HL-1細(xì)胞胞外電信號(hào)。（h）為（g）中紅色框內(nèi)區(qū)域的放大。隨HL-1培養(yǎng)天數(shù)的增加，細(xì)胞間逐漸形成緊致排列的單層，所測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度變大。

圖四：PSF對(duì)神經(jīng)細(xì)胞黏附性實(shí)驗(yàn)。以傳統(tǒng)光刻膠SU8為對(duì)照，分別在玻璃基底上構(gòu)筑十字交叉型圖案（i）。將人類誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞種植在有PSF/SU8圖案的基底上，觀察一段時(shí)間后細(xì)胞分布狀態(tài)的變化。（a-b）亮場(chǎng)顯微鏡。神經(jīng)元特異性標(biāo)記抗體TUJ1染色（c-d），細(xì)胞核DAPI染色（e-f），及復(fù)合熒光圖像（g-h）。（j-k），分別以TUJ1及DAPI染色細(xì)胞為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，比較細(xì)胞在PSF和SU8圖案化表面上分布差異。神經(jīng)細(xì)胞在PSF與玻璃基底表面均勻分布，而避開SU8區(qū)域，表明PSF具有比SU8更強(qiáng)的細(xì)胞親和性。

  進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，PSF與SU8對(duì)細(xì)胞親和性的差異來自于PSF表面的負(fù)電特性，使其更易于結(jié)合更多的細(xì)胞黏附因子PDL，從而提供優(yōu)于SU8的細(xì)胞生長基底。由于生物電信號(hào)的傳導(dǎo)強(qiáng)烈依賴于細(xì)胞膜與傳感器表面的緊密結(jié)合，因此該研究所開發(fā)具有對(duì)神經(jīng)細(xì)胞增強(qiáng)黏附的生物活性、電絕緣光刻膠對(duì)生物微電子學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。

  論文的第一作者是鞠婕博士，現(xiàn)為河南大學(xué)材料學(xué)院特聘教授。合作者包括中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院胡寧副教授，浙江省之江實(shí)驗(yàn)室的劉海濤博士。

  論文信息及鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2003696117

  鞠婕教授目前在組建研究團(tuán)隊(duì)，歡迎具有高分子材料、表界面浸潤性、及生物醫(yī)學(xué)研究背景的博士人員依托課題組申請(qǐng)講師、副教授、師資博后等其它層次職位。詳細(xì)信息請(qǐng)參考http://muchong.com/t-14286350-1及http://muchong.com/t-14286362-1。歡迎咨詢郵箱：jujie@henu.edu.cn。