Nature Materials:芝加哥大学研发具有介观结构的异质性硅基生物材料

成果简介
硅基材料在生物物理工具和生物药物器件中有着广泛的应用。本文作者介绍了一种具有多尺度结构和化学不均匀性的介孔硅材料，它可降解并且具有生物相容性。这种材料以介孔二氧化硅为模板利用化学气相沉积法合成而来。它具有无定型的原子结构，以有序的纳米线为骨架，有随机的亚微米孔洞，其平均杨氏模量比单晶硅小2-3个数量级。此外，作者利用非均相硅的介孔结构设计了一种脂质双分子层支撑的生物电界面，能够远程调控和依时瞬变性，并且在单极背根神经节神经元中可发挥光学调制作用。

研究者表示，硅的异质性和可形变性的放生拓展，能够胞外生物材料或生物电体系等领域开窗诸多的机遇。

图1 无定型硅具有多尺度结构不均匀性和有序的介观尺度特性

a, 硅基蜂窝调制材料能够拥有与天然生物材料相似的介观结构，例如具有单向纤维网络的骨骼主要由分子交联所维持。
b, 纳米铸造合成中应用了双石英管体统，介孔二氧化硅模板放置在内管（左）近底部位置。经HF（氟化氢）刻蚀后得到呈棕色的产物（右）。标尺1cm。
c, 所合成的Si粒子的扫描电子显微镜（SEM）图像便显出与SBA-15模板相似的形态。标尺2μm。
d, 介孔结构Si的典型区域的透射X射线显微镜3D数据集（左）。数据集的薄片（绿色线）标亮了内部和粒间孔洞的（右）的出现。表示硅作为一个半导体基质，能够使孔洞更清晰的可视化（右上）。洋红色-硅；蓝色-粒间孔洞；整体或薄片的开放区域-粒间孔洞。
e, 小角X射线衍射（SAXS）图样周期性地出现介观结构，表现为2D六边形对称。
f，SEM图像反映了Si纳米线组装的周期性排布。标尺100nm。
g, 透射电子显微镜（TEM）图像（左）和快速傅里叶变换（FFT）衍射图（右下）表明硅纳米线（左平板）的六角形堆积。选区电子衍射（SEAD）图样表现出一个无定型的原子结构（右上）。标尺100nm。

图2 介观结构的Si具有尺寸依赖性的化学不均匀性

a, 沉积态样品（即未移除SiO2）原子探针断层摄影（APT）图样表明，硅纳米线在二氧化硅基质中为六角形堆积。为了更清晰，只有总量5%的Si（蓝色点）和O（蓝绿色点）显示了出来。标尺20nm。
b, 分别从x方向(左) z方向(右)观察60at.%(上)75at.%(下)的Si的等浓度表面。微桥结构（黄色箭头所示）在60at.%表面（上）出现，在75at.%表面（下）中消失，这表明在微桥结构中的Si浓度小于在硅纳米线中的浓度。标尺10nm。
c, 代表性的片层分别显示出硅纳米线（左）和微桥结构（右），呈现为65at.%Si等浓度表面。线和数字表示沿x(红)、y(绿)、z(蓝)轴方向的尺寸。
d.e, 浓度剖面约化直方图(d)和Si浓度分布直方图(e)数据表明了Si浓度在硅纳米线（绿）和微桥结构（粉和洋红）中的尺寸依赖性。‘d’在图d中表示距60at.%Si等浓度表面的距离，其正/负值表示该点位于封闭的表面的内部/外部。粗的粉色和绿色的曲线可以估算去藕合Si分别在微桥结构和纳米线中的分布，并给出了在这两种组分（箭头线，洋红色和绿色）中主要的尺寸特征。
f, 介观结构硅的俯视（左）、侧视（右）示意图，说明了梯度分布的Si/SiO2（绿/粉）的界面和观察到的纳米线和微桥结构化学之间的化学不均匀性。

图3 介孔结构的硅能够建立起具有更小侵袭性的生物界面

a, 介孔结构硅分别在空气（蓝）和PBS溶液（红）环境中测试所得的杨氏模量的盒须图。一半的数据在盒中，80%的在须上。实线和虚线分别表示中位数和平均数。点标记了最大值和最小值。n=138(空气中)，n=94(PBS中)。
b.c, 介孔结构硅的拉曼光谱(b)和紫外-可见光谱(c). 蓝色表示在浸入在PBS中0小时和红色表示浸没24小时. b中的虚线标记了横向光学峰的位置，其位置和宽度反映了键角（θ）的分布。由Tauc曲线（c右）外推紫外-可见光谱的产率能带。
d, 具有代表性介孔结构的Si/HUVEC 界面的典型TEM图像。试样经过冷冻置换和树脂包埋。右侧图像为蓝色虚线方框标区域的放大图。纳米线的末端用黄色点标记。标尺100nm(左)，20nm(右)。
e, 单细胞钙成像分析的原理图（左上）。相对振幅(ΔF/F0)和斜率((dF/dt)/F0)的定义（左下）。钙动力学的相对振幅和斜率值的散点图（右）。该图从多孔的/介孔结构的/无定型态（蓝色）和固体/单晶（红色）粒子记录数据。插图为与多孔样品（左上）、固体样品（右下）有关的二维分布直方图。每一组均为n=44。

图4 能够被远程驱动、由脂类支撑的生物电界面可作为动态混合系统

a, 光驱动生物电界面示意图（左），瞬态的电容电流穿过双脂质层（LB）是由于介孔结构硅的光热影响而产生。混合的硅/细胞系统（右）使用脉冲光信号作为输入（i）并产生局部短暂加热。这种快速短暂加热生成了穿过了LB（ii）电容电流，这和穿过离子通道（iv）的电流共同决定了膜电势。离子通道活动性收到膜电势（v）的影响，这是其它离子电流的结构，和/或因受到短暂加热或直接加热（iii）膜电容发生的改变的结果。所有的这些过程整体作为一个单一的动态混合系统，产生的输出（vi）可用时间域或频率辨识，并作为二维示意图。
b, 由密堆积硅介孔结构和人造脂质双分子层制成的平面的可远程调控的生物电界面。实验装置图（上部）为局部溶液温度、双分子层电容和膜电流的测量，并伴随在硅/脂质界面（上平板）上局部的激光照射。图中的星标记了上腔室底部的钻孔洞，脂质双分子层在这里形成。图中展示了连个相互独立的电路。第一个电路用A1和A2作为膜片箝（用来测量膜电流对指令电压（V-comm）的响应），在Vlower时加紧，与双分子层下面的溶液池相连接。V-comm可以是常见的脉冲电压或者正弦电压信号。Vupper连接了腔室上部的池子和地面。第二个电路使用A3，记录了移液管（T-probe）和V-sensor之间的电压降，即在移液管和I-out之间夹在电流后的响应。V-temp正比于移液管电阻。装置放大侧视野（底部）展现了硅/脂质界面。
c, 溶液局部平均温度（上部）和双分子层电容（底部），在不同输入能量的激光脉冲下的动态变化。激光能量，22.4mW；黑色0.5ms；红色1.0ms；蓝色1.5ms；橄榄色2.0ms。n=50。
d, 激光脉冲（44.8μJ）下产生响应的电容电流，在电压钳模式中记录数据。红色和蓝色曲线分别表示在电势为-120mV和120mV时的电流。黑色曲线为增加20mV的中间物电势。绿色棒表示激光脉冲的加载。n=10。
e, 实验装置用来在DRG神经元中抽出APs，通过照亮附加在细胞上的单个Si粒子。神经元被粘夹在电流钳全细胞模式中。AOM，声-光调制器；ND，中性密度滤光片；DM，二向色镜；OBJ，显微镜目镜；AMP，放大器；LPF，低通滤波器；ADC，模拟信号-数字信号转换器。插图为作为内置生物电界面的细胞膜的部分功能。
f, DRG神经元代表性膜电势的记录数据和对应的FFTs（右侧）。其中神经元暴露在一系列不同频率的激光脉冲（5.32μJ）下。f和f0分别是输出和输入频率。绿色棒表示激光脉冲已经加载。
g, 一个基于区域的回归映射，揭示了频率依赖性的2D图样的演变。数据点来自对每组试验20个尖波的分析，每个频率进行4组试验。

文献链接：Heterogeneous silicon mesostructures for lipid-supported bioelectric interfaces

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