第一作者：Yunlong Zhao、Siheng Sean You、Anqi Zhang

通讯作者：Charles M. Lieber

通讯单位：哈佛大学

研究亮点：

1.   规模化制造数千个可记录细胞内信号的纳米线晶体管探针。

2.   高精度、全幅度、微创细胞内信号测量；同时多位点细胞内信号测量。

3.   可控的探针形状与尺寸用于系统的纳米-细胞界面研究。

细胞内信号测量技术及难点

神经细胞电信号的测量是许多生物医药领域应用的基础，比如绘制大脑活动图谱和神经假肢技术。为了能够获得最高精度的测量和假肢的控制，电子器件需要穿透细胞膜，实现细胞内记录。目前最广泛应用的细胞内记录的方法是传统的膜片钳技术，其缺点在于：

1）膜片钳电极的尺寸通常在微米级别，会对纳米尺度的细胞膜造成不可逆的伤害；

2）能够同时测量的细胞数量非常有限。

成果简介

为了解决上述这些问题，哈佛大学Charles M. Lieber课题组研究人员开发了一种规模化工艺，可同时制造出数千个可记录细胞内信号的纳米线晶体管探针阵列，并使用这些探针同时读取多个细胞内部的电信号。

图1. 纳米线晶体管探针的形状和尺寸对细胞内信号记录的影响。

要点1：纳米线晶体管探针阵列的规模化制造

纳米线具有很大的长宽比，可以像面条一样随意弯曲。利用气-液-固机理，研究人员可在生长基底上获得数以百万计的硅纳米线，而这些纳米线大多杂乱无章，相互缠绕。

为了将它们整合到探针阵列中，研究人员首先在硅晶片上制作了数千个U形凹槽，然后将纳米线生长基底倒扣并拉过凹槽。由于纳米线可随意弯曲，这种“梳理”纳米线过程中产生的剪切力可使纳米线锚定到凹槽处并弯曲成U形，从而得到数千个U形纳米线晶体管探针阵列。

图2. 阵列化超小型三维纳米线晶体管探针的制备。

要点2：细胞内信号测量

每个U型纳米线的尖端都是一个纳米级的传感器，可穿透神经元和心肌细胞的细胞膜，测量细胞内电信号。这种方法测到的电信号与膜片钳电极的信号相当。由于纳米线尖端非常小并且涂有一层模仿细胞膜的分子，探针传感器部分可以反复的插入多个细胞中而不会对其造成损伤。

图3. 单个纳米线探针可连续测量多个神经细胞内的电信号。

在开发纳米线探针的过程中，研究人员比较了不同的纳米线曲率半径和传感器尺寸对细胞内信号记录的影响，并发现具有较窄尖端/较小晶体管尺寸的探针可测到更大幅度的电位变化，从而印证了纳米尺度的曲率可以更好地促进跨细胞膜运输的发现。

图4. 纳米线探针曲率半径和传感器尺寸对细胞内信号幅度的影响。

利用该制备技术，研究人员还能够实现多通道同时测量：例如，在单个探针臂上放置多个纳米线探针可实现对单细胞多位点测量；而多个探针臂上的多个纳米线探针可同时记录来自相邻的细胞的信号，用以解读细胞间的信号传播。

图5. 纳米线探针阵列可同时实现多位点信号测量。

小结

该研究解决了大规模制备自下而上的纳米尺度器件的难题，从而实现了多个细胞内电信号的同时测量。在后续工作中，研究人员将探索如何提高该方法测量的稳定性，从而最终推动高分辨率脑机接口的发展。

参考文献：

Zhao,Y. et al. Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes forintracellular recording. Nat. Nanotechnol., 2019. Doi:10.1038/s41565-019-0478-y.

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0478-y