Nano Letters: 细胞微纳敏感电子学与传感器的研究进展

心肌细胞和神经细胞的电生理研究是探索心脏病学和神经科学领域的重要手段。近几十年来，基于三维微/纳米电极结构与多类辅助穿孔技术相结合，实现了从单个细胞到大型细胞网络的动作电位高灵敏和长时间信号检测，打破了动作电位的时空限制，克服了传统记录方法的局限性，然而目前这些微/纳米电极依赖复杂的制造工艺，无法高效、经济地批量生产，阻碍了其广泛应用的进展。因此，探索兼容可大规模制造的微纳米电极用于高灵敏和长时间的细胞内动作电位检测至关重要的。

近日，浙大科创超分子新物质创制创新工坊胡宁研究员课题组在Nano Letters上发表了多孔纳米模板电极传感调控系统用于细胞内动作电位记录的研究，该研究依托前期在哈佛大学与塔夫茨大学胞内微纳电子学研究经验、浙江大学生物医学传感的技术基础与中山大学先进的微纳加工研究平台，提出模板法胞内电生理传感技术，开发一种新型的纳米模板电极传感调控系统。

图1. 胞内动作电位记录的纳米模板电极传感系统。

图2. 多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米模板电极传感系统高灵敏记录细胞内动作电位。

图3. 多孔PET纳米模板电极结合纳米电穿孔实现胞内电生理记录的工作原理。

图4. 垂直Au-Al2O3纳米模板电极在细胞内记录动作电位。

（A）心肌细胞在纳米模板电极阵列上活性表征；（B）心肌细胞在Au-Al2O3纳米模板电极上的电镜照片；（C）利用三维纳米模板电极电穿孔使细胞膜产生纳米裂缝；(D,E)局部电穿孔前后，纳米模板电极记录的心肌细胞胞外与胞内动作电位；(F,G)胞内外信号幅值与信噪比统计分析；(H) 多通道纳米模板电极同步记录动作电位。

图5. 垂直Au-Al2O3纳米模板电极高灵敏长时记录心肌细胞胞内动作电位。

（A,B）两类三维结构纳米电极细胞界面对比；（C,D）细胞在两类纳米电极上耦合的电镜表征；（E）各类传感器件的电化学阻抗谱表征；（F,G,H）Al2O3纳米模板电极和ZnO纳米棒电极在电穿孔记录心肌细胞动作电位持续时间的对比；（I）电穿孔所记录胞内外典型信号的对比；（J,K）胞内电信号幅值与持续时间的统计分析

三维纳米模板电极通过电穿孔记录心肌细胞胞内动作电位，其成功率可达100%。与自由生长的三维纳米电极相比，这种可控的纳米模板电极表现出灵敏和长时间的细胞内动作电位记录。本研究表明，优化后的纳米电极结构显著提高了细胞内记录的性能，可用于心脏病学和神经科学领域的电生理学研究。

研究工作发表在Nano Letters上，胡宁课题组团队的研究生徐冬馨为文章的第一作者，该研究受国家自然科学基金的支持，还要特别感谢中山大学电子与信息工程学院陈军教授、佘峻聪教授对课题组完成本研究的大力支持。

该工作是胡宁课题组近期关于多模态心肌细胞传感调控技术研究的最新进展之一。兴奋收缩耦联是心肌细胞重要的生物学特性，与心脏的泵血功能密切相关，如何在细胞水平获取高内涵的兴奋收缩耦联信息是细胞传感领域重要的科学问题。针对常规心肌细胞传感检测系统存在的参数单一、信号异步问题，开发了心肌细胞电机一体化传感检测技术（Biosens. Bioelectron.2018, 117, 354），实现了对心肌细胞胞外电信号与机械搏动信号的同步检测。为了克服现有胞内传感技术的劣势，基于三维微纳传感电极结合物理化学穿孔透膜调控技术可以与胞内形成有效耦合，从而获取高质量的胞内电信号。基于这一研究理念，采用聚焦离子束制备了三维纳米柱传感器件，建立了心肌细胞胞内胞外电生理传感系统（Nano Lett.2020, 20, 2585）。通过高效的水热合成与标准的微加工工艺制备了三维氧化锌纳米结构器件，配合并行的电穿孔调控技术，实现了多通道、高效、长时、动态的胞内电信号传感检测（Biosens. Bioelectron.2020, 169, 112588），并进一步开发了胞内胞外同步传感检测与分析技术，探索心肌细胞胞内与胞外电信号的关联性（Biosens. Bioelectron.2021, 192, 113501），此外，所建立心肌细胞传感系统，还为动态、定量地研究细胞膜愈合演变机制提供了实用的平台（Biosens. Bioelectron.2022, 202, 114016）。通过建立高效、自动化的传感调控系统（Biosens. Bioelectron.2022, 209, 114252），精确地探索了心肌细胞电刺激调控中电脉冲的幅值、数量、脉宽对高质量胞内电信号传感的协同作用（Biosens. Bioelectron.2022, 206: 114122），并利用这些多模态的心肌细胞传感调控技术，实现了对经典的FDA市场撤回和限制药物心脏毒性的特异性高效分析筛选（Biosens. Bioelectron.2015, 67, 146），并采用多标签神经网络方法实现对药物类别与浓度识别分析（Biosens. Bioelectron.2022. 209. 114261），采用非线性动态分析算法与相关性分析实现对心律失常搏动信号的自动化准确分析（Microsyst. Nanoeng.2022, 8, 49; Microsyst. Nanoeng.2021, 7, 24），以及对各类离子通道药物的高特异性识别（Biosens. Bioelectron.2020, 162, 112273）。

通讯作者简介

胡宁，浙江舟山人，现为浙江大学杭州国际科创中心、化学系双聘研究员，博士毕业于浙江大学生物医学工程专业，浙江大学竺可桢奖学金获得者，曾在哈佛大学医学院、塔夫茨大学工学院从事博士后研究工作。博士与博士后期间分别受生物传感技术领域专家王平教授与微纳生物电子学领域专家姜晓成教授指导。专注于微纳电子学与生物医学传感交叉学科领域的研究十多年，集中于生物医学传感检测技术开发、微纳生物传感器件与试剂制备、多模态一体化传感系统研制、及其在生物医学中的研究与应用，解决生物、医学、环境、药学领域里高灵敏、高准确、高通量并行传感检测分析的难题。主持国家自然科学基金国际合作研究项目（中国-以色列）、面上项目、青年科学基金项目、国家教育部人才培养项目、中科院传感技术联合国家重点实验室项目等13项，参与国自然、国家海洋局、科技部等重大科研仪器研制类项目10多项。已在国际知名期刊Chemical Reviews (IF=60.622)、Biosensors and Bioelectronics (IF=10.618) 、Nano Letters (IF=11.189)、Nano-Micro Letters (IF=16.419)、PNAS (IF=11.205)等共发表SCI论文100多篇，其中62篇为一作或通讯作者；申请与授权专利30多项。基于生物医学传感技术的研究成果，撰写中英文著作5部。有关生物医学传感技术的研究与应用成果分别获得教育部技术发明二等奖与自然科学二等奖。担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology副主编、Biosensors客座编辑。

个人主页链接：https://person.zju.edu.cn/zjuhuning

文章详情

题目：Porous Polyethylene Terephthalate Nanotemplate Electrodes for Sensitive Intracellular Recording of Action Potentials

作者：Dongxin Xu, Jiaru Fang, Mingyue Zhang, Qijian Xia, Hongbo Li, and Ning Hu*

链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00258