芝加哥大学田博之Nat. Rev. Mater.综述 ：无机半导体材料生物界面

【前言】

随着半导体工业的蓬勃发展，人们关于无机半导体材料物理化学性质的知识已经相当丰富，也因此发展出了一整套成熟的器件加工工艺。除了在电子行业的广泛应用外，许多无机半导体材料还具有良好的生物相容性，从而拓展了这类材料器件在生命科学和医学领域的应用。早期的开创性研究包括哈佛大学Charles Lieber组发展的利用硅纳米线场效应管测量局部生物电信号，西北大学John Rogers组开发的基于柔性硅膜的表皮电子器件和可生物降解器件，以及加州大学伯克利分校Paul Alivisatos组开展的基于量子点光致发光现象的生物荧光成像。除了可以接受生物信号来实现监测和传感外，近年的研究表明，无机半导体材料还可以向生物体系输入信号（电学，热学，力学等）来调控生物体本身的行为，例如加州大学伯克利分校的杨培东组提出的基于无机半导体材料（硅纳米线，量子点等）的人工光合作用，以及芝加哥大学田博之组开展的基于硅基生物材料（介孔硅颗粒，硅纳米线，柔性硅膜等）的光控神经调制技术。

【成果简介】

该领域前期的研究主要着眼于材料和器件本身的性能优化上，而材料和生物界面问题的重要性则往往被忽视。事实上，越来越多的研究指出，确保材料和生物体系在力学性质和物理尺寸上的匹配，以及合理设计跨越界面的信号或能量流动的模式才是实现高效的功能性生物界面的基础。近日，在国际著名期刊Nature Reviews Materials上，芝加哥大学田博之组发表了题为Inorganic semiconductor biointerfaces的综述文章，系统得归纳了现有的无机半导体材料生物界面的特性，以及其在生物物理和生物医学方面的应用。在本文中，作者们首先讨论了半导体物理的基础知识和半导体器件的工作原理，并且着重强调了其在生理条件下相比于传统固态条件下工作特点的不同之处。随后，作者们总结了各种常见的无机半导体材料的合成和器件加工工艺，包括各种可能的零维，二维，二维和三维体系。最后，基于不同生物电子学和生物光子学器件在生物界面上的信号传导机理，作者们将已有的研究分成了如下几大类，包括电学和光电生物传感，光电和光热生物刺激以及光致发光生物成像，并且分别给出了对应的事例分析。最后，作者们提议未来的研究应当对材料的生物相容性进行系统的定量分析，并且指出了一些未来材料发展方向以及与其相关的重要生物学问题。本文的第一作者为原芝加哥大学化学系博士生，现斯坦福大学化工系博士后蒋圆闻，通讯作者为芝加哥大学化学系田博之教授。

【图文导读】

图1：一些将无机半导体材料和器件用于生物研究的里程碑。详见前言。

图2：无机半导体和生理液体界面的材料物理总结。

（a）直接和间接带隙半导体的能带结构区别。（b）常见半导体价带导带相对于真空能级和生理条件下氧化还原电对的位置。（c）半导体和电解质界面的能带弯曲现象以及受其影响的光生载流子的流动。

图3：常见无机半导体器件的工作原理。

（a）场效应管（b）pn结（c）光伏器件（d）发光二极管。

图4：各种维度的半导体材料和器件以及其可能形成生物界面类型。

（a）零维量子点可以用于人工光合作用和标记细胞内主动运输过程。（b）一维纳米线可以用于细胞内电生理记录和促进微生物燃料电池。（c）二维薄膜可以用于加工瞬态电子学器件和非遗传光电神经刺激。（d）三维介观结构可以用来实现多功能细胞探针和类组织检测网络。（e）生物电子学和生物光子学界面包括电学检测，光电检测，光电刺激，光热刺激和光致发光成像等。

图5：各种跨越生物界面的信号传导模式。

（a）①场效应管可以用来检测局部分析物浓度和细胞膜电位②光电二极管可以用来检测生物发光过程③光伏器件可以通过光电容或光电化学过程来刺激细胞行为④发光二极管结合光遗传技术可以用来直接刺激细胞⑤载流子符合产生的热能可以用于改变细胞膜电容以实现细胞刺激⑥纳米尺度的无机半导体材料可以被细胞内吞，从而实现细胞内功能界面。（b）光电容（只涉及双电容充放电）和光电化学（包括界面氧化还原反应）过程的区别。

【小结和展望】

无机半导体材料和器件由于其多样的物理化学性质，良好的可加工性和生物相容性，已经被广泛得用于生物物理学研究和生物医学应用中。本文详细得讨论了无机半导体材料器件的合成加工和工作原理，深入得总结了跨越生物界面的各种信号传递机理，为此后的研究打下了坚实的基础。尽管如此，在材料生物的界面上仍然有许多尚未完全回答的问题需要新的手段来进行深入的研究。新近开发的表征技术包括高速原子力显微学，瞬态光谱，冷冻离子束刻蚀，高速超分辨显微学等手段都可能得到前所未有的关于生物界面的高精度结构和功能信息。除此之外，新型的材料合成手段也可能为生物界面提供新的机遇。举例来说，结合基因工程和生物矿化过程或许能够定点定向得在特定细胞内腔室处合成具有特定形貌的纳米半导体材料用于高精度生物检测或者高效能生物调控。最后，除了传统的电学活性的生物体系外，还有许多新的对象可以用无机半导体材料和器件来进行研究，包括细胞骨架的结构和基于运动蛋白的主动运输过程，微生物群落内通讯，以及胚胎发育过程等。

文献链接：Inorganic semiconductor biointerfaces（Nat. Rev. Mater., 2018, DOI: 10.1038/ s41578-018-0062-3）

https://www.nature.com/articles/s41578-018-0062-3

硅基生物界面材料方向最近发表文章（节选）：

1) Jiang, Y. W.,* Li, X. J.,* Liu, B.,* Yi, J., Fang, Y., Shi, F. Y., Gao, X., Sudzilovsky, E., Parameswaran, R., Koehler, K., Nair, V., Yue, J. P., Guo, K. H., Fang, Y., Tsai, H.-M., Freyermuth, G., Wong, R. C. S., Kao, C.-M., Chen, C.-T., Nicholls, A. W., Wu, X. Y., Shepherd, G. M. G., & Tian, B. Z., Rational design of silicon structures for optically controlled multiscale biointerfaces, Nature Biomedical Engineering 2, 508-521 (*These authors contributed equally to this work.)

2) Jiang, Y. W.,* Carvalho-de-Souza, J. L.,* Wong, R. C. S.,* Luo, Z. Q., Isheim, D., Zuo, X. B., Nicholls, A. W., Jung, I. W., Yue, J. P., Liu, D.-J., Wang, Y. C., De Andrade, V., Xiao, X. H., Navrazhnykh, L. Weiss, D. E., Wu, X. Y., Seidman, D. N., Bezanilla, F. & Tian, B. Z. Heterogeneous silicon-based mesostructures for phospholipid-supported transient bioelectric systems. Nature Materials 15, 1023-1030 (2016). (*These authors contributed equally to this work.)

3) Parameswaran. R., Carvalho-de-Souza, J. L., Jiang, Y. W., Burke, M., Zimmerman, J., Koehler, K., Phillips, A. W., Yi, J., Adams, E., Bezanilla, F., & Tian, B. Z. Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with freestanding coaxial silicon nanowires Nature Nanotechnology, 13, 260–266 (2018)

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5) Luo, Z. Q.,* Jiang, Y. W.,* Myers, B. D., Isheim, D., Wu, J. S., Zimmerman, J. F., Wang, Z. A., Li, Q. Q., Wang, Y. C., Chen, X. Q., Seidman, D. N. & Tian, B. Z. Atomic gold-enabled three-dimensional lithography for silicon mesostructures. Science 348, 1451-1455 (2015). (*These authors contributed equally to this work.)

6) Fang, Y.,* Jiang, Y. W.,* Cherukara, M. J.* Shi, F. Y., Koehler, K., Freyermuth, G., Isheim, D., Narayanan, B., Nicholls, A. W., Seidman, D. N., Sankaranarayanan, S. K. R. S., & Tian, B. Z. Alloy-assisted deposition of three-dimensional arrays of atomic gold catalyst for crystal growth studies, Nature Communications 8, 2014 (2017). (*These authors contributed equally to this work.)

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