據麥姆斯咨詢報道，近日，一支由美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）和密蘇里大學（University of Missouri）的研究人員組成的團隊在Science Advances期刊上發表了題為“Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses”的論文，利用懸浮納米線，該研究團隊首次開發出一種微型傳感器，可以同時測量心臟組織中細胞的電和機械響應，這項研究成果有望應用于心臟疾病研究、藥物測試和再生醫學。

圖1 納米晶體管傳感器概念與制造

細胞的電和機械響應是人類心臟組織中的重要狀態指標，可為心臟疾病研究、藥物測試和再生醫學建立理想模型。由于這兩種活動通過興奮-收縮（EC）耦聯而復雜相關，因此同時測量它們對于識別生理和病理機制是非常必要和關鍵的。例如，細胞中EC耦聯的減弱可能導致心律失常，這可以通過跟蹤細胞的電和機械活動來揭示。盡管這很重要，但同時測量這兩個進程仍然具有挑戰性。傳統的光學方法依靠熒光標記來指示生物電信號，依靠形態學跟蹤來檢測生物力學行為。將這兩種方法結合起來研究單個細胞中的EC動力學，可揭示單參數測量中遺漏的信息。然而，由于時間分辨率和可達性降低，它們在三維組織中快速動力學參數的可擴展跟蹤方面受到限制，并且分子標記可能會損害細胞收縮性或誘發毒性。

電子傳感器可以實現高時間分辨率的無標記、多通道信號采集。它們可以進一步集成在柔性、多孔支架上以支配組織，索回其他技術難以獲取的深層組織信息。然而，目前的電子傳感器（如微電極和晶體管陣列）僅限于探測電或機械響應的單一屬性。盡管異構性在同步或可擴展性方面帶來了相當大的挑戰，但研究人員最近已做出努力，他們將一個傳感器與一個互補傳感器結合起來以同時測量兩種屬性。例如，他們在原子力顯微鏡（AFM）探針上制造了納米圖案化微電極，用于在細胞中記錄力—電圖，而這在AFM設置中使用單個懸臂時在可擴展性和可達性方面受到限制。微電極和叉指電極對也被結合起來用于同步記錄心臟組織中的電和機械活動。然而，通過阻抗測量進行運動跟蹤的叉指電極對的尺寸較大，這將測量限制為單個或少數器件規模，在組織層面的分辨率較低。

總體而言，結合兩種類型傳感器的策略不可避免地導致集成和/或信號采集的異質性，這進一步限制了可擴展性和空間分辨率（即兩種傳感器增加了空間）。后者不僅在實現細胞分辨率的信號采集方面帶來挑戰，而且在研究相關動力學時，采集到的信號的空間差異也限制了其精度。此外，它還增加了對生物組織的侵襲性。與已開發的電子傳感器中的單一功能相比，生物細胞器通常融合多種感官機制以實現有效的并行信號傳遞。例如，神經突不僅感知動作電位（AP），而且還感知機械刺激以進行發育指導。

在本論文研究中，作者們從多功能生物纖維中獲得靈感，提出了一種能夠同時探測細胞的電和機械響應的仿生集成納米電子學傳感器。該微型傳感器由三維懸浮半導體硅（Si）納米線構成。所提出的器件通過將半導體硅納米線跨過微尺度桿或微桿而具有凸形結構（圖1A）。襯底上的源極和漏極觸點以及支撐納米線頂點的微桿形成三角形配置以賦予結構穩定性。懸浮納米線的幾何自由度可將細胞力轉化為納米線中的機械變形或應變變化（圖1B和C），從而可以通過壓阻效應進行電檢測。同時，納米晶體管還可以通過場效應檢測動作電位（圖1C）。由于生物力學和生物電進程可以落入不同的頻域，因此兩者都可以在單個器件中進行電檢測和區分。

圖2 納米晶體管傳感器檢測藥物作用

圖3 機械傳感信號與細胞運動的相關性

研究人員制造了一種仿生納米晶體管傳感器，并進行了電學性能表征以揭示其在細胞的電和機械響應信號采集方面的潛力。為進一步揭示其在細胞藥理學和病理學研究中的應用潛力，他們使用傳感器進行了藥物測試實驗。測試結果表明三維納米晶體管傳感器能夠捕獲到不同細胞階段的電和機械活動的細節。綜上，該新型納米晶體管傳感器不僅實現了改進的生物電子檢測，而且通過二合一的融合集成，減少了對生物組織的侵襲性。

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

審核編輯 ：李倩