用于先进电生理记录的有源微纳协同生物电子器件研究进展综述

开发精确灵敏的电生理记录平台对心脏病学和神经科学领域的研究至关重要。近年来，有源微纳生物电子器件取得了重大进展，从而促进了电生理学的研究。这些有源微纳协同生物电子器件的独特配置和卓越功能为大规模记录高保真电生理信号提供了可能。

近期，浙江大学胡宁等在Nano-Micro Letters期刊上发表了题为“Active Micro-Nano-Collaborative Bioelectronic Device for Advanced Electrophysiological Recording”的综述性论文，总结了有源微纳晶体管作为细胞电生理记录检测技术的研究进展。基于半导体特性的有源微纳生物电子器件可以利用微纳技术实现生物体内更小尺寸的信号检测，这对于研究离体细胞和体内组织的工作机制具有重要意义。与无源生物电子器件相比，有源生物电子器件由于具有放大和开关电流的能力，可以放大生物体对微弱电信号的响应，从而获得更高质量的电生理参数。在该论文中，作者首先分别讨论了三维有源纳米晶体管和平面有源微晶体管的工作原理、制备和性能。其次，总结了有源微纳晶体管在心脏和神经电生理方面的应用。最后，展望了有源微纳晶体管的前景趋势及其在生物医学领域的发展潜力。

有源微纳晶体管原理

纳米晶体管是一种基于半导体材料的器件，它通过控制半导体中的载流子密度来控制电流。纳米晶体管有三个电极：漏极、源极和栅极，在漏极和源极之间形成由半导体制成的导电通道。为了提供三维有源纳米晶体管记录的可视化表示，利用等效电路来模拟细胞和纳米晶体管之间的耦合（图1a）。V₀是指细胞的动作电位，而Cnj和Rnj分别表示非结电容和电阻。Cⱼ为结电容，Rⱼ表示结电阻，Rseal表示密封电阻。动作电位发生后，V₀从细胞内扩散。栅极电压对应于连接电位Vⱼ，而Vⱼ的变化调节了源极和漏极之间纳米晶体管的电导。纳米晶体管中细胞-电极耦合的有效性可以通过Vⱼ与V₀的比值来评估，其中越高的比值表明耦合越好，因此记录能力越强。图1b~1d显示了纳米晶体管对同一心肌细胞的细胞外和细胞内记录。对于细胞外电生理信号，细胞膜仍然未被穿透，因此表现出高阻抗。对于胞内电生理信号，穿透后细胞与纳米晶体管栅极直接接触，阻抗值接近于零。由于膜阻力的衰减，胞外信号呈现出与胞内信号不同的形状。



图1 （a）模拟细胞/纳米晶体管耦合和记录电信号的等效电路模型；（b-c）三维纳米晶体管的结构和SEM照片；（d）纳米晶体管与心肌细胞接触后记录的典型细胞外和细胞内动作电位。

平面有源微晶体管的生物传感器，如石墨烯微晶体管，成为生物电子应用的一个有吸引力的选择。石墨烯具有良好的化学稳定性和生物相容性，这对于集成生物系统和在没有保护介电层的情况下应用场效应管至关重要。石墨烯纳米电子学中场效应机制的利用促进了初始微晶体管的发展，由于其极高的载流子迁移率，与大多数已建立的半导体相比，微晶体管表现出优越的性能。细胞电化学门控石墨烯场效应晶体管（EGFET）之间的测量如图2a~b所示，其中细胞位于石墨烯表面。一个稳定的偏置电压被施加到漏极和源极，它们由石墨烯导电通道连接。石墨烯通道中的电流被放大并连续监测。由细胞动作电位引起的任何局部动作电位变化都会调节石墨烯中的源漏电流。所构建的石墨烯场效应晶体管具有高灵敏度和低噪声，足以测量电兴奋细胞中的细胞外电信号（图2c）。

图2 （a）硅晶片上的EGFET照片和EGFET尺寸示意图；（b）EGFET等效电路图；（c）同一芯片上30个FET的灵敏度分布比（左），在FET上培养的神经元的免疫荧光图和记录的电信号轨迹（右）。

有源微纳晶体管的制造与性能

Lieber教授团队最初报道了一种新的合成方法，将金纳米团簇催化的蒸汽-液体-固体（VLS）和蒸汽-固体-固体（VSS）沿纳米线（NW）生长方向的生长模式结合起来，生产出具有超尖端可控短通道纳米线（图3a）。在随后的研究中，该团队展示了一系列纳米线场效应晶体管和分支纳米管探针。其中，通过VLS法反应改变蒸汽压制备扭曲纳米线探针，得到120°弯曲结构，并通过电子束光刻远程电互连将扭曲纳米线结构与衬底分离（图3b）。除了传统的自下而上或自上而下的制造工艺外，Yue Gu等采用压缩屈曲技术实现了可扩展的三维有源纳米晶体管，用于细胞内多位点动作电位的记录（图3c）。制造过程首先是使用标准的微纳制造技术生产多层二维前驱体，然后将其转移和区域键合到预应变弹性体基板上。随后，释放预应变弹性体衬底，生成三维结构。此外，纳米级双碳电极可以通过将热解碳沉积到石英纳米吸管中来制造（图3d）。在矛形双碳纳米电极的尖端沉积一层薄的半导体材料后，可以生产出具有两个单独可寻址电极作为漏极和源极的纳米场效应晶体管。

图3 （a）金纳米团簇催化纳米线生长的示意图和短通道纳米线FET电兴奋细胞之间的界面；（b）纳米晶体管制造工艺；（c）10-FET阵列与心肌细胞界面示意图（上左），10-FET阵列的多层结构图（上右），从平面多层结构到三维结构的伪彩色SEM照片（下）；（d）场效应晶体管纳米传感器原理图及SEM照片。

图4a~b展示了微晶体管在记录鸡胚胎心肌细胞电生理信号中的新应用，表明了微晶体管在细胞电生理中的潜力。观察到的Vwg变化突出了电导信号幅度的调制近一个数量级，同时保持石墨烯/细胞界面的稳定。此外，Jose A. Garrido等人使用基于石墨烯的溶液场效应晶体管来检测细胞信号（图4c~d）。该阵列采用化学气相沉积（CVD）在铜箔上生长大面积石墨烯薄膜，由于其尺寸和大规模生产的低成本可行性，为石墨烯薄片的制备提供了更有利的技术平台。

图4 （a）石墨烯微晶体管和硅场效应晶体管设计原理图；（b）拉曼光谱对应于石墨烯微晶体管（左）和典型石墨烯微晶体管的门响应（右）；（c）石墨烯微晶体管原理图，石墨烯位于漏极和源极金属触点之间（上），石墨烯微晶体管阵列中8个晶体管的显微镜图像（下）；（d）同一微晶体管阵列中8个不同器件的晶体管电流门电压曲线和相应的跨导门电压曲线。

有源微纳晶体管的应用

目前，利用三维纳米晶体管的细胞内记录最接近真实动作电位。BIT-FET是一种细胞内纳米管FET，在心肌细胞中表现出较高精确的动作电位记录，其振幅为75~100 mV，持续时间为~200 ms（图5a）。纳米器件的可扩展性和微创性对于并发、长时间监测心肌细胞至关重要。确定形状控制的纳米线，加上空间定义的半导体-金属转换，促进了尖端几何形状和传感器尺寸可控的可扩展三维纳米晶体管的生产，从而使初级神经元能够记录高达100 mV的细胞内动作电位（图5b（i））。对神经元（图5b（ii））和心肌细胞（图5b（iii））的研究表明，设备曲率和传感器尺寸的调节对于获得高振幅的细胞内记录至关重要。图5c展示了一个三维纳米电子阵列，包含64个亚细胞大小和亚毫秒时间分辨率的位点。同步多位点刺激可以控制动作电位传播的频率和方向，为心脏电生理的时空记录提供了一种新的方法。同样地，具有高孔隙度和细胞/亚细胞特征尺寸的三维大孔纳米电子脑探针可以优化神经元/探针界面，促进与脑组织的整合，使机械扰动最小化。这一探针成功地记录了大鼠体感觉皮层的多路局部场电位和单细胞动作电位（图5d）。

图5 （a）（i）从细胞外记录到细胞内记录的典型转变，(ii)（i）中黑色虚线框内的放大视图（左）和红色虚线框内的放大视图（右），（iii）两个BIT-FET器件与心肌细胞耦合的显微镜图像及相应的电生理信号记录；（b）（i）U-NWFET细胞内记录示意图，（ii）在通道长度为50 nm的FET探针下，从初级神经元记录的细胞内信号为0.75 μm的ROC曲线，（iii）通道长度为~2000 nm、ROC为1.5 μm的FET记录的HiPSC-CMs的细胞外电信号（左）和通道长度为~50 nm、ROC为0.75 μm的FET记录的HiPSC-CMs的细胞内电信号（右）；（c）（i）具有纳米线场效应晶体管阵列的纳米电子支架和与心脏组织共培养的3D折叠支架示意图，（ii）纳米电子支架中16个传感器记录的电信号模式；（d）（i）脑内探针植入示意图，（ii）大孔探头示意图和典型纳米线场效应晶体管的显微照片，（iii）用纳米线场效应晶体管传感器在大鼠大脑皮质区记录作图。

Jose A Garrido等人在2016年（图6a）采用柔性石墨烯微晶体管类似地测量了心肌细胞的电生理信号，证明了聚酰亚胺衬底上基于CVD石墨烯的GSFET具有高电导性。Andreas Offenhäusser等人提出了一种由平面外栅泄漏电流产生的电化学退火/洗涤效应，可以记录离体心脏组织和HL-1细胞系的外电位（图6b）。此外，首次在体外记录了石墨烯晶体管具有可区分的神经元信号。Cécile Delacour等人报道了在石墨烯晶体管阵列上培养数周的神经元网络中离子通道活性的场效应检测。

石墨烯晶体管对电位门控的依赖性如图6c所示，在从VLG = 0到0.8 V的栅极电位范围内，信号的幅度大致保持恒定。图6d展示了最先进的石墨烯装置阵列与微流控相结合，用于培养和感知初级神经元。通过免疫荧光染色和钙成像评估神经元网络的最终结构，并通过电信号记录证明神经元的电成熟度。这个新平台的结合为未来诊断和治疗的全面发展提供了机会。此外，各种分子，如蛋白质、金纳米棒可以通过微流控通道选择性递送到靶细胞，同时监测心肌细胞/神经元的电活动和各种生化信号，为早期病理研究提供了新的途径（图6e）。

图6 （a）聚酰亚胺基板上柔性GFET示意图（左），记录柔性GFET中HL-1细胞的荧光图像和电生理信号；（b）（i）GFET记录的心脏组织照片和记录的电生理信号轨迹，（ii）在GFET上培养HL-1细胞的光学显微照片和典型电生理信号痕迹，（iii）神经元的时间记录轨迹；（c）40 µm × 250 µm石墨烯晶体管上神经元的光学显微照片和从多个栅极记录的电导-时间曲线；（d）（i）结合微流控的GFET阵列的光学显微照片和晶体管上流体微通道的器件布局，（ii）石墨烯晶体管上培养神经元的免疫荧光图像，（iii）石墨烯晶体管培养神经元的电信号记录图谱；（e）在细胞信号传递过程中，细胞外电信号被电或化学记录。

综上所述，有源微纳生物电子器件的发展对于实现电生理信号的记录具有重要意义。首先，三维有源纳米晶体管器件表现出与界面阻抗的独立性，从而能够记录全振幅的细胞内电位。三维纳米器件的纳米级尺寸有助于微创细胞内记录。其次，石墨烯微晶体管具有良好的化学稳定性、生物相容性和极高的载流子迁移率，可以在心脏和神经中记录电生理信号。基于场效应晶体管纳米电子学的优势，有源微纳生物电子学器件能够准确灵敏地获取心脏和神经的电生理信息，并已广泛应用于疾病建模和细胞网络中。

论文链接： https://doi.org/10.1007/s40820-024-01336-1



审核编辑：刘清