用于同时测量电和机械细胞响应的生物激励二合一纳米晶体管传感器

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由美国马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）和密苏里大学（University of Missouri）的研究人员组成的团队在Science Advances期刊上发表了题为“Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses”的论文，利用悬浮纳米线，该研究团队首次开发出一种微型传感器，可以同时测量心脏组织中细胞的电和机械响应，这项研究成果有望应用于心脏疾病研究、药物测试和再生医学。

图1 纳米晶体管传感器概念与制造

细胞的电和机械响应是人类心脏组织中的重要状态指标，可为心脏疾病研究、药物测试和再生医学建立理想模型。由于这两种活动通过兴奋-收缩（EC）耦联而复杂相关，因此同时测量它们对于识别生理和病理机制是非常必要和关键的。例如，细胞中EC耦联的减弱可能导致心律失常，这可以通过跟踪细胞的电和机械活动来揭示。尽管这很重要，但同时测量这两个进程仍然具有挑战性。传统的光学方法依靠荧光标记来指示生物电信号，依靠形态学跟踪来检测生物力学行为。将这两种方法结合起来研究单个细胞中的EC动力学，可揭示单参数测量中遗漏的信息。然而，由于时间分辨率和可达性降低，它们在三维组织中快速动力学参数的可扩展跟踪方面受到限制，并且分子标记可能会损害细胞收缩性或诱发毒性。

电子传感器可以实现高时间分辨率的无标记、多通道信号采集。它们可以进一步集成在柔性、多孔支架上以支配组织，索回其他技术难以获取的深层组织信息。然而，目前的电子传感器（如微电极和晶体管阵列）仅限于探测电或机械响应的单一属性。尽管异构性在同步或可扩展性方面带来了相当大的挑战，但研究人员最近已做出努力，他们将一个传感器与一个互补传感器结合起来以同时测量两种属性。例如，他们在原子力显微镜（AFM）探针上制造了纳米图案化微电极，用于在细胞中记录力—电图，而这在AFM设置中使用单个悬臂时在可扩展性和可达性方面受到限制。微电极和叉指电极对也被结合起来用于同步记录心脏组织中的电和机械活动。然而，通过阻抗测量进行运动跟踪的叉指电极对的尺寸较大，这将测量限制为单个或少数器件规模，在组织层面的分辨率较低。

总体而言，结合两种类型传感器的策略不可避免地导致集成和/或信号采集的异质性，这进一步限制了可扩展性和空间分辨率（即两种传感器增加了空间）。后者不仅在实现细胞分辨率的信号采集方面带来挑战，而且在研究相关动力学时，采集到的信号的空间差异也限制了其精度。此外，它还增加了对生物组织的侵袭性。与已开发的电子传感器中的单一功能相比，生物细胞器通常融合多种感官机制以实现有效的并行信号传递。例如，神经突不仅感知动作电位（AP），而且还感知机械刺激以进行发育指导。

在本论文研究中，作者们从多功能生物纤维中获得灵感，提出了一种能够同时探测细胞的电和机械响应的仿生集成纳米电子学传感器。该微型传感器由三维悬浮半导体硅（Si）纳米线构成。所提出的器件通过将半导体硅纳米线跨过微尺度杆或微杆而具有凸形结构（图1A）。衬底上的源极和漏极触点以及支撑纳米线顶点的微杆形成三角形配置以赋予结构稳定性。悬浮纳米线的几何自由度可将细胞力转化为纳米线中的机械变形或应变变化（图1B和C），从而可以通过压阻效应进行电检测。同时，纳米晶体管还可以通过场效应检测动作电位（图1C）。由于生物力学和生物电进程可以落入不同的频域，因此两者都可以在单个器件中进行电检测和区分。

图2 纳米晶体管传感器检测药物作用

图3 机械传感信号与细胞运动的相关性

研究人员制造了一种仿生纳米晶体管传感器，并进行了电学性能表征以揭示其在细胞的电和机械响应信号采集方面的潜力。为进一步揭示其在细胞药理学和病理学研究中的应用潜力，他们使用传感器进行了药物测试实验。测试结果表明三维纳米晶体管传感器能够捕获到不同细胞阶段的电和机械活动的细节。综上，该新型纳米晶体管传感器不仅实现了改进的生物电子检测，而且通过二合一的融合集成，减少了对生物组织的侵袭性。

论文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abn2485

审核编辑 ：李倩