硅納米材料——海綿輕松操控器官

材料牛注：提到可注射或可植入醫療器械，你是否只是想到各種僵硬笨重、易于引起排異反應，需要通過各種手術的放入、取出的醫療器械……Now，新時代來臨了，硅納米海綿可以解決這些問題。

理想情況下，可注射或可植入的醫療器械應體積小，具有電學特性，同時又能像它們所接觸的身體組織一樣柔軟。芝加哥大學的科學家嘗試設計出同時具有以上三種屬性的材料。他們提出，利用納米材料制成光活化可注射裝置，用來刺激個體神經細胞，從而操縱肌肉和器官。Nature Materials報道了這一設想。

“很多傳統的可植入材料僵硬笨重，尤其在做電刺激時，這一缺陷更加突出。”化學助理教授Bozhi Tian解釋道，他和神經學家Francisco?Bezanilla對該設想進行了合作研究。他們提出了柔性由納米顆粒組成的材料。直徑僅為幾微米的微粒可以很容易地分散在鹽溶液中，并且可通過注射進入人體。微粒幾個月后會在體內自然降解，無需手術去除。

在該微粒中，二氧化硅和純硅組成了像海綿一樣的納米尺度的孔徑。這種微粒可以被擠壓，它比晶體管和太陽能電池中的晶體硅柔軟成百上千倍。“它的柔軟程度和我們體內的膠原纖維相似”，Bozhi Tian教授的研究生Yuanwen Jiang解釋道，“我們正在創造一種柔軟度可以和真實組織匹配的材料。”

圖為介孔硅顆粒。圖左為微粒某一部分的透射X射線三維數據，表明為海綿結構；圖右為透射電子顯微鏡圖像，顯示為一個有序的納米線陣列。

科學家用他們稱之為納米鑄造的方法來制造這種微粒。直徑為7nm的納米線通過直徑更小的納米橋連接，從而形成二氧化硅模具。用甲烷氣體填充在模具中的孔徑內從而分解出純硅。物體尺寸越小，越多的表面原子支配它與外界環境的反應。相比于微橋，納米線較大，相應的表面原子較少，相互作用較少，這會殘留較多純硅。

微粒被注射到某一細胞或人體內后，和細胞膜之間形成界面，從而使細胞膜和微粒成為一體。當被光照射時，微粒產生電流，電流通過界面刺激細胞從而改變細胞的活動。模具被注射后溶解，留下由氧化硅微橋連接的網狀結構——納米線。氧化硅吸收水從而增加結構的柔軟性，純硅保持它吸收光的能力。一旦實現治療的目的，材料會自動降解。

科學家已經把這些微粒加入到實驗室中的神經元培養基中培養，發現當給微粒光照時，有電流進入并刺激神經元。下一步將會研究微粒在生物體內的反應。他們關注的是和器官有聯系的外周神經系統中的刺激神經。這些神經相對靠近身體表面，近紅外光可以通過皮膚進入這些神經。

Tian希望通過光活化裝置設計人體組織，并創建人工器官，從而替換受損器官。目前，科學家已經做出了構造相似的人造器官，但并不具備預想的功能。為了使制造的器官有預想的功能，需要在設計的組織中操控單個細胞。可注射的裝置可以解決這一問題，就像技術工人調整引擎中的一個簡單的螺栓一樣，通過緊聚焦光束調整個別細胞。不通過基因工程合成生物器官是一件非常具有誘惑力的事情。

原文鏈接：Silicon nano-sponge can manipulate individual cells

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

本文由編輯部顧玥提供素材，朱曉秀編譯，薛文嘉審核，點我加入材料人編輯部。