David Sretavan & Hyuck Choo Nat. Nanotech.: 由長尾玻璃翼蝴蝶為醫療設備設計的多功能雙光子納米結構

【引言】

據調查發現，估計有8-10%的美國人（5-6%在其他發達國家）在他們的一生中，都需要依靠植入的醫療設備來維持身體機能。因此，開發醫療植入技術的努力一直在增加。然而，對這些努力的一種主要挑戰是，要求在嚴格限制的范圍內具有多種功能，同時必須確保在體內性能和可靠性能方面可以接受。工程多功能表面的靈感通常來自于自然界，它擁有大量的納米結構，具有廣泛的理想特性。在自然界中，許多活的生物體都擁有能夠為生存提供顏色和其他多種功能的光子納米結構。雖然這些結構已經在實驗室中進行了積極的研究和復制，但目前尚不清楚它們是否可以用于生物醫學應用。

【成果簡介】

近日，美國加州理工學院的Hyuck Choo教授和加利福利亞大學的David Sretavan教授（共同通訊作者）等報道了一種透明的雙光子納米結構，它受到長尾玻璃翅蝴蝶（Chorinea faunus）的啟發，并展示了它在體內的眼壓（IOP）傳感器的使用。利用兩種非混相聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯）相分離，在Si₃N₄基質上形成納米結構的特征。因此形成的膜具有良好的角質性白光透射性、強親水性和抗生物活性，防止蛋白質、細菌和真核細胞粘附。并且，他們用制備的光子膜作為光學傳感元件，研制了一種微型的植入式IOP傳感器。最后，通過在新西蘭白兔體內進行的活體檢測，表明制備的設備在沒有炎癥跡象的情況下，降低了IOP的平均測量偏差。研究成果以題為“Multifunctional biophotonic nanostructures inspired by the longtail glasswing butterfly for medical devices”發布在國際著名期刊Nat. Nanotech.上。

【圖文導讀】

圖一、C. faunus翼的表征?

（a）C. faunus蝴蝶在可見光下的照片；

（b）C. faunus翼上納米結構的縱橫比（高過基直徑）的統計分析；

（c）密集的后盤區的SEM圖；

（d）基地面積稀疏區的SEM圖；

（e）對后盤區近場散射剖面的時域差分模擬（細胞頻率：150 nm）;

（f）對基底面積近場散射剖面的時域差分模擬（細胞頻率：300 nm）;

（g）測量后盤區的彌漫性和鏡面透射率，在實驗不確定度范圍內的光譜差異；

（h）測量基地面積的擴散和鏡面投射率，透射率金和可見的散射特性有20%的差異；

（i、j）在波長420 nm時，從-20^o到20^o，在后盤的前向散射（i）和基底區（j）都記錄了一系列入射角度不同的變化；

圖二、納米結構的Si₃N₄-膜的制備和光學性能?

（a） 生物激發納米結構Si₃N₄-膜的制備流程；

（b） 三維納米Si₃N₄-膜和納米結構的原子力顯微鏡圖像寬高比為0.450±0.065近似高斯分布圖；（c） Si₃N₄-膜上的納米結構的SEM圖和相應的環形二維傅里葉功率譜圖；

（d） 實驗獲得角度分辨總透光率平Si₃N₄-膜顯示光峰值周圍705 nm由于透射薄膜以其引入的干擾峰藍移30 nm在40^°入射角由于j角度變化相干擾的本質過程,同分析薄膜造型一樣；

（e） 實驗獲得了納米結構Si₃N₄ -膜的角度分辨的總透射率，表明其對角度的依賴性顯著降低。

圖三、納米結構的Si₃N₄-膜的表面生物物理性質?

（a） 利用熒光強度顯微鏡觀察牛血清白蛋白對陽性對照、扁平Si₃N₄和納米結構Si₃N₄表面的粘附力；

（b） 利用熒光強度顯微鏡觀察鏈霉素對陽性對照、扁平Si₃N₄和納米結構Si₃N₄表面的粘附力；

（c） 大腸桿菌在納米結構Si₃N₄表面的粘結劑數量明顯低于平面Si₃N₄表面；

（d） 在HeLa細胞培養中，陽性對照、扁平Si₃N₄和納米結構的Si₃N₄的熒光顯微圖在HeLa細胞培養基中培養72 h，標記為細胞滲透性核酸標記物Hoechst 405(上面板)和SYTOX綠色(下面板)，表明納米結構Si₃N₄的抗粘附特性；

（e） 在納米結構的Si₃N₄表面上附著HeLa細胞密度明顯低于陽性對照和扁平Si₃N₄表面。

圖四、納米結構IOP傳感器的基準特性?

（a） 傳感器法布里-珀羅諧振腔的諧振位移作為IOP的函數來測量；

（b） 反射共振譜的峰值位移是入射角的函數；

（c） 強度作為衡量峰谷值的標準，對比最突出的峰值和峰谷的共振情況和在0^o入射角時的標準化的測量。

（d） 增加入射角度引起的壓力漂移誤差；

（e） 納米結構傳感器在一個壓力控制室中測試0-32 mm Hg，并使用數字壓力表作為參考。

圖五、納米結構IOP傳感器的體內性能和生物相容性?

（a） 一個平面的和一個納米結構的傳感器分別被植入兩只活的新西蘭白兔前室（黑色箭頭指示）一個月；

（b） 從持續的IOP測量中收集到的最高信噪比的光譜，每間隔60 s，集成時間為10 ms；

（c） 直方圖顯示了相對于單位平均波長(s.d.=1.3 nm)和納米結構(s.d.=0.6 nm)傳感器的光譜數據(n=95頻譜);

（d） 與傳統的彈力測壓讀數相比，用平面(s.d.=0.64 mmHg, n=95頻譜)和納米結構(s.d.=0.23 mmHg, n=95頻譜)傳感器的標準偏差，與傳統的彈力測量讀數(s.d.=1.97 mmHg, n=12測量值)相比較；

（e） 在體內研究一個月后，平面Si₃N₄傳感器的三通道免疫熒光共聚焦顯微鏡圖像(z-stack)。

【小結】

研究了一種用于醫用植入物的生物雙光子納米結構。通過調優納米結構的關鍵物理尺寸，設計了結構誘導的散射，擴展了光學讀出角度，并改進了適合于離子感應植入物的超壓炎癥的防污。在青光眼中，準確的IOP檢測是疾病診斷和管理的唯一方法，IOP檢測的光學傳感方法在微小化、能源效率和檢測頻率方面一直很有前景。通過在IOP傳感植入物上的納米結構的整合大大擴展了其檢測范圍，同時減少了體內IOP誤差的三倍，也有效的抑制了生物污染和炎癥。激發了進一步的研究工作，包括使用移動設備進行持續的IOP檢測，結合基于記憶的跟蹤功能，將改善青光眼的治療效果，降低視力障礙和失明風險。這些有希望的結果，相信大量的醫療技術和設備將大大受益于雙光子納米結構的多功能性。

文獻鏈接：Multifunctional biophotonic nanostructures inspired by the longtail glasswing butterfly for medical devices（Nat. Nanotech., 2018, DOI:10.1038/s41565-018-0111-5.）

本文由材料人生物材料組小胖紙編譯。

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