首頁資訊胡寧課題組ACS Nano：微納三維生物電子學(xué)——心臟電生理學(xué)的革命性平臺(tái)

胡寧課題組ACS Nano：微納三維生物電子學(xué)——心臟電生理學(xué)的革命性平臺(tái)

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年07月21日 06:05

心血管疾病是導(dǎo)致全球發(fā)病和死亡的首要原因。在過去二十年里，全球心血管疾病的患病率幾乎翻了一番，每年造成約1790萬人死亡。為了提高心血管疾病患者的生存率，研究心血管疾病的發(fā)病機(jī)制，加強(qiáng)心血管疾病的預(yù)防、早期診斷和治療至關(guān)重要。研究表明，心律失常是早期診斷心血管疾病的重要標(biāo)準(zhǔn)，而心肌細(xì)胞電生理評(píng)估則是檢測(cè)心律失常的有效方法。因此，長期、準(zhǔn)確地檢測(cè)心肌細(xì)胞電生理活動(dòng)對(duì)于推進(jìn)心臟病理學(xué)和藥理學(xué)發(fā)展具有重要意義。目前，多種電生理檢測(cè)工具和方法已被廣泛開發(fā)用于記錄心肌細(xì)胞電生理信號(hào)。然而，膜片鉗技術(shù)作為研究跨膜電位的金標(biāo)準(zhǔn)方法，受到操作復(fù)雜和低通量的限制；光學(xué)成像（如使用熒光指示劑或可基因編碼電壓探針的電壓成像和Ca2+光學(xué)成像）存在光毒性、測(cè)量時(shí)間有限、開/關(guān)動(dòng)力學(xué)較慢等缺點(diǎn)；平面多電極/多晶體管記錄的細(xì)胞外信號(hào)則存在質(zhì)量低下、分辨率低等不足，且缺乏典型的離子通道信息，不利于心臟疾病的機(jī)制研究。細(xì)胞內(nèi)動(dòng)作電位能傳遞包括靜息膜電位和離子通道等關(guān)鍵信息，對(duì)于使用電生理技術(shù)研究心血管疾病至關(guān)重要。近年來，微納三維生物電子學(xué)技術(shù)在心臟電生理領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展?；谌S微納加工技術(shù)制備的細(xì)胞外無源納米電極陣列和有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)合先進(jìn)的穿膜策略，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)動(dòng)作電位的高質(zhì)量記錄，從而用于藥物篩選和疾病建模，促進(jìn)心臟病理學(xué)和藥理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

近日，浙江大學(xué)胡寧研究員課題組在ACS Nano上發(fā)表了題為“微納三維生物電子學(xué)：心臟電生理學(xué)的革命性平臺(tái)”的綜述文章，總結(jié)了微納三維生物電子學(xué)技術(shù)在心臟電生理記錄領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。該綜述文章詳細(xì)討論了三維納米器件的制備和加工、幾何結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)訪問策略，總結(jié)了三維納米電極在精確藥物篩選和仿生疾病建模中的應(yīng)用。此外，還深入討論了三維納米電極在制備和應(yīng)用方面面臨的挑戰(zhàn)，并展望了未來的發(fā)展方向，旨在促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)電生理平臺(tái)的發(fā)展，以滿足新興臨床應(yīng)用的需求。

圖1心臟電生理三維微納生物電子學(xué)研究平臺(tái)

研究的主要內(nèi)容介紹：

該文章首先討論了“自下而上”和“自上而下”兩種制備策略，以了解納米電極的制造和加工，實(shí)現(xiàn)三維納米器件的精確制造。由于單一的“自下而上”策略難以控制三維縱向結(jié)構(gòu)和摻雜分布，而基于光刻技術(shù)的“自上而下”策略存在高成本、低可擴(kuò)展性、缺乏通用性等局限性。因此，將這兩種策略相結(jié)合，可精準(zhǔn)制造出多種具有不同幾何形狀的柔性或堅(jiān)固的三維納米器件。其次，文章詳細(xì)介紹了三維納米電極的幾何結(jié)構(gòu)。目前，蘑菇狀電極、納米線電極、納米柱電極、納米管電極、納米火山電極、納米冠電極等已被廣泛開發(fā)用于心肌細(xì)胞胞內(nèi)動(dòng)作電位記錄。通過優(yōu)化納米電極的幾何結(jié)構(gòu)，可以有效改善細(xì)胞與電極之間的耦合，減少信號(hào)損失，提高細(xì)胞記錄的質(zhì)量。然后，文章討論了不同細(xì)胞內(nèi)訪問策略對(duì)細(xì)胞-電極界面的影響?；诨瘜W(xué)誘導(dǎo)的自發(fā)滲透策略或物理滲透策略（電穿孔、光穿孔等）均可以使三維納米電極訪問細(xì)胞內(nèi)部，從而記錄到心肌細(xì)胞的跨膜動(dòng)作電位。接著，文章總結(jié)了目前三維納米電極陣列和場(chǎng)效應(yīng)晶體管在精準(zhǔn)藥物篩選和仿生疾病建模中的應(yīng)用。最后，文章對(duì)三維納米器件在制備和應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)，并展望了三維納米器件在未來的發(fā)展。提出可以進(jìn)一步改進(jìn)三維納米器件的結(jié)構(gòu)（材料、尺寸、密度等）以提高細(xì)胞內(nèi)記錄的性能，可以引入互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模電生理信號(hào)高保真記錄。同時(shí)，三維納米器件可以結(jié)合電生理學(xué)和機(jī)械生理學(xué)進(jìn)行多參數(shù)聯(lián)合檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)三維微納生物電子學(xué)平臺(tái)傳感-調(diào)節(jié)一體化以及進(jìn)一步應(yīng)用心臟類器官模型等。

圖2 多類三維微納米電極制備

圖3 具有不同幾何形狀的三維納米器件的掃描電鏡圖

圖4 細(xì)胞-電極界面耦合、細(xì)胞穿孔透膜策略及胞內(nèi)外電生理記錄

圖5 三維微納米器件用于藥物精準(zhǔn)研究

圖6 三維納米器件用于疾病研究

圖7 心臟電生理研究未來的發(fā)展方向

總結(jié)：

微納三維生物電子學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、長期、高通量的心肌細(xì)胞胞內(nèi)動(dòng)作電位記錄，其中包含了豐富的離子通道信息，可用于心臟疾病機(jī)制探索和藥物毒性評(píng)估。文章綜述了多種三維納米器件的結(jié)構(gòu)和主要加工方法，綜合分析了各種細(xì)胞內(nèi)訪問策略的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)訪問策略在電生理記錄中所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，還討論了三維納米器件在精確藥物篩選和仿生疾病建模方面的應(yīng)用。隨著加工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)胞內(nèi)訪問策略的進(jìn)一步發(fā)展與優(yōu)化，以及先進(jìn)材料、微流體、芯片技術(shù)和納米機(jī)器人的引入和集成，未來的三維納米器件將為探索心血管疾病機(jī)制和高通量藥物篩選提供更多機(jī)會(huì)。

這一成果近期發(fā)表在納米科技權(quán)威期刊ACS Nano上，課題組研究助理鄭吉琳為第一作者。

課題組研究得到了國家自然科學(xué)基金高強(qiáng)度國際研究合作、面上項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、杭州市重點(diǎn)科研計(jì)劃、浙江大學(xué)百人計(jì)劃、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心百人計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

作者簡介：

胡寧研究員，現(xiàn)為浙江大學(xué)化學(xué)系“百人計(jì)劃”研究員，博士生導(dǎo)師、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心“百人計(jì)劃”研究員、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院研究員、國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心研究員，博士學(xué)士畢業(yè)于浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，后前往哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、塔夫茨大學(xué)開展博士后研究工作。十余年來專注于生物醫(yī)學(xué)傳感與納米科學(xué)技術(shù)交叉學(xué)科領(lǐng)域，自主研制并開發(fā)了多種生物醫(yī)學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)、微納生物醫(yī)學(xué)傳感器件以及多功能一體化傳感系統(tǒng)；同時(shí)堅(jiān)持以探索微納生物醫(yī)學(xué)傳感研究與技術(shù)的創(chuàng)新、突破技術(shù)與儀器的瓶頸、打破國外技術(shù)與產(chǎn)品的壟斷為目標(biāo)，系統(tǒng)性地發(fā)展了生物醫(yī)學(xué)傳感核心的生物模型、試劑、器件、技術(shù)與系統(tǒng)。目前，共主持國家級(jí)、省部級(jí)、企事業(yè)橫向項(xiàng)目等30多項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)基金委、國家海洋局等科研儀器研制類項(xiàng)目10多項(xiàng)。相關(guān)成果以通訊作者在國際知名期刊Nano Letters (IF=10.8)、Biosensors and Bioelectronics (IF=12.6)、ACS Nano (IF=17.1)、Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology (IF=65.1)、Nano-Micro Letters (IF=26.6)、Advanced Functional Materials (IF=19.0)、Research (IF=11.0)、Small (IF=13.3)等共發(fā)表SCI論文70多篇；授權(quán)發(fā)明專利20多項(xiàng)，轉(zhuǎn)讓4項(xiàng)；基于生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的研究成果撰寫中英文著作5部；有關(guān)生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用成果分別獲得教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)與自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，并擔(dān)任多個(gè)SCI期刊的副主編或編委，入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。

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https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00052來源：高分子科學(xué)前沿

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