Nature Materials:芝加哥大學研發具有介觀結構的異質性硅基生物材料

成果簡介
硅基材料在生物物理工具和生物藥物器件中有著廣泛的應用。本文作者介紹了一種具有多尺度結構和化學不均勻性的介孔硅材料，它可降解并且具有生物相容性。這種材料以介孔二氧化硅為模板利用化學氣相沉積法合成而來。它具有無定型的原子結構，以有序的納米線為骨架，有隨機的亞微米孔洞，其平均楊氏模量比單晶硅小2-3個數量級。此外，作者利用非均相硅的介孔結構設計了一種脂質雙分子層支撐的生物電界面，能夠遠程調控和依時瞬變性，并且在單極背根神經節神經元中可發揮光學調制作用。

研究者表示，硅的異質性和可形變性的放生拓展，能夠胞外生物材料或生物電體系等領域開窗諸多的機遇。

圖1 無定型硅具有多尺度結構不均勻性和有序的介觀尺度特性

a, 硅基蜂窩調制材料能夠擁有與天然生物材料相似的介觀結構，例如具有單向纖維網絡的骨骼主要由分子交聯所維持。
b, 納米鑄造合成中應用了雙石英管體統，介孔二氧化硅模板放置在內管（左）近底部位置。經HF（氟化氫）刻蝕后得到呈棕色的產物（右）。標尺1cm。
c, 所合成的Si粒子的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像便顯出與SBA-15模板相似的形態。標尺2μm。
d, 介孔結構Si的典型區域的透射X射線顯微鏡3D數據集（左）。數據集的薄片（綠色線）標亮了內部和粒間孔洞的（右）的出現。表示硅作為一個半導體基質，能夠使孔洞更清晰的可視化（右上）。洋紅色-硅；藍色-粒間孔洞；整體或薄片的開放區域-粒間孔洞。
e, 小角X射線衍射（SAXS）圖樣周期性地出現介觀結構，表現為2D六邊形對稱。
f，SEM圖像反映了Si納米線組裝的周期性排布。標尺100nm。
g, 透射電子顯微鏡（TEM）圖像（左）和快速傅里葉變換（FFT）衍射圖（右下）表明硅納米線（左平板）的六角形堆積。選區電子衍射（SEAD）圖樣表現出一個無定型的原子結構（右上）。標尺100nm。

圖2 介觀結構的Si具有尺寸依賴性的化學不均勻性

a, 沉積態樣品（即未移除SiO2）原子探針斷層攝影（APT）圖樣表明，硅納米線在二氧化硅基質中為六角形堆積。為了更清晰，只有總量5%的Si（藍色點）和O（藍綠色點）顯示了出來。標尺20nm。
b, 分別從x方向(左) z方向(右)觀察60at.%(上)75at.%(下)的Si的等濃度表面。微橋結構（黃色箭頭所示）在60at.%表面（上）出現，在75at.%表面（下）中消失，這表明在微橋結構中的Si濃度小于在硅納米線中的濃度。標尺10nm。
c, 代表性的片層分別顯示出硅納米線（左）和微橋結構（右），呈現為65at.%Si等濃度表面。線和數字表示沿x(紅)、y(綠)、z(藍)軸方向的尺寸。
d.e, 濃度剖面約化直方圖(d)和Si濃度分布直方圖(e)數據表明了Si濃度在硅納米線（綠）和微橋結構（粉和洋紅）中的尺寸依賴性。‘d’在圖d中表示距60at.%Si等濃度表面的距離，其正/負值表示該點位于封閉的表面的內部/外部。粗的粉色和綠色的曲線可以估算去藕合Si分別在微橋結構和納米線中的分布，并給出了在這兩種組分（箭頭線，洋紅色和綠色）中主要的尺寸特征。
f, 介觀結構硅的俯視（左）、側視（右）示意圖，說明了梯度分布的Si/SiO2（綠/粉）的界面和觀察到的納米線和微橋結構化學之間的化學不均勻性。

圖3 介孔結構的硅能夠建立起具有更小侵襲性的生物界面

a, 介孔結構硅分別在空氣（藍）和PBS溶液（紅）環境中測試所得的楊氏模量的盒須圖。一半的數據在盒中，80%的在須上。實線和虛線分別表示中位數和平均數。點標記了最大值和最小值。n=138(空氣中)，n=94(PBS中)。
b.c, 介孔結構硅的拉曼光譜(b)和紫外-可見光譜(c). 藍色表示在浸入在PBS中0小時和紅色表示浸沒24小時. b中的虛線標記了橫向光學峰的位置，其位置和寬度反映了鍵角（θ）的分布。由Tauc曲線（c右）外推紫外-可見光譜的產率能帶。
d, 具有代表性介孔結構的Si/HUVEC 界面的典型TEM圖像。試樣經過冷凍置換和樹脂包埋。右側圖像為藍色虛線方框標區域的放大圖。納米線的末端用黃色點標記。標尺100nm(左)，20nm(右)。
e, 單細胞鈣成像分析的原理圖（左上）。相對振幅(ΔF/F0)和斜率((dF/dt)/F0)的定義（左下）。鈣動力學的相對振幅和斜率值的散點圖（右）。該圖從多孔的/介孔結構的/無定型態（藍色）和固體/單晶（紅色）粒子記錄數據。插圖為與多孔樣品（左上）、固體樣品（右下）有關的二維分布直方圖。每一組均為n=44。

圖4 能夠被遠程驅動、由脂類支撐的生物電界面可作為動態混合系統

a, 光驅動生物電界面示意圖（左），瞬態的電容電流穿過雙脂質層（LB）是由于介孔結構硅的光熱影響而產生。混合的硅/細胞系統（右）使用脈沖光信號作為輸入（i）并產生局部短暫加熱。這種快速短暫加熱生成了穿過了LB（ii）電容電流，這和穿過離子通道（iv）的電流共同決定了膜電勢。離子通道活動性收到膜電勢（v）的影響，這是其它離子電流的結構，和/或因受到短暫加熱或直接加熱（iii）膜電容發生的改變的結果。所有的這些過程整體作為一個單一的動態混合系統，產生的輸出（vi）可用時間域或頻率辨識，并作為二維示意圖。
b, 由密堆積硅介孔結構和人造脂質雙分子層制成的平面的可遠程調控的生物電界面。實驗裝置圖（上部）為局部溶液溫度、雙分子層電容和膜電流的測量，并伴隨在硅/脂質界面（上平板）上局部的激光照射。圖中的星標記了上腔室底部的鉆孔洞，脂質雙分子層在這里形成。圖中展示了連個相互獨立的電路。第一個電路用A1和A2作為膜片箝（用來測量膜電流對指令電壓（V-comm）的響應），在Vlower時加緊，與雙分子層下面的溶液池相連接。V-comm可以是常見的脈沖電壓或者正弦電壓信號。Vupper連接了腔室上部的池子和地面。第二個電路使用A3，記錄了移液管（T-probe）和V-sensor之間的電壓降，即在移液管和I-out之間夾在電流后的響應。V-temp正比于移液管電阻。裝置放大側視野（底部）展現了硅/脂質界面。
c, 溶液局部平均溫度（上部）和雙分子層電容（底部），在不同輸入能量的激光脈沖下的動態變化。激光能量，22.4mW；黑色0.5ms；紅色1.0ms；藍色1.5ms；橄欖色2.0ms。n=50。
d, 激光脈沖（44.8μJ）下產生響應的電容電流，在電壓鉗模式中記錄數據。紅色和藍色曲線分別表示在電勢為-120mV和120mV時的電流。黑色曲線為增加20mV的中間物電勢。綠色棒表示激光脈沖的加載。n=10。
e, 實驗裝置用來在DRG神經元中抽出APs，通過照亮附加在細胞上的單個Si粒子。神經元被粘夾在電流鉗全細胞模式中。AOM，聲-光調制器；ND，中性密度濾光片；DM，二向色鏡；OBJ，顯微鏡目鏡；AMP，放大器；LPF，低通濾波器；ADC，模擬信號-數字信號轉換器。插圖為作為內置生物電界面的細胞膜的部分功能。
f, DRG神經元代表性膜電勢的記錄數據和對應的FFTs（右側）。其中神經元暴露在一系列不同頻率的激光脈沖（5.32μJ）下。f和f0分別是輸出和輸入頻率。綠色棒表示激光脈沖已經加載。
g, 一個基于區域的回歸映射，揭示了頻率依賴性的2D圖樣的演變。數據點來自對每組試驗20個尖波的分析，每個頻率進行4組試驗。

文獻鏈接：Heterogeneous silicon mesostructures for lipid-supported bioelectric interfaces

本文由糯米提供素材，李卓編輯整理。