硅纳米材料——海绵轻松操控器官

材料牛注：提到可注射或可植入医疗器械，你是否只是想到各种僵硬笨重、易于引起排异反应，需要通过各种手术的放入、取出的医疗器械……Now，新时代来临了，硅纳米海绵可以解决这些问题。

理想情况下，可注射或可植入的医疗器械应体积小，具有电学特性，同时又能像它们所接触的身体组织一样柔软。芝加哥大学的科学家尝试设计出同时具有以上三种属性的材料。他们提出，利用纳米材料制成光活化可注射装置，用来刺激个体神经细胞，从而操纵肌肉和器官。Nature Materials报道了这一设想。

“很多传统的可植入材料僵硬笨重，尤其在做电刺激时，这一缺陷更加突出。”化学助理教授Bozhi Tian解释道，他和神经学家Francisco Bezanilla对该设想进行了合作研究。他们提出了柔性由纳米颗粒组成的材料。直径仅为几微米的微粒可以很容易地分散在盐溶液中，并且可通过注射进入人体。微粒几个月后会在体内自然降解，无需手术去除。

在该微粒中，二氧化硅和纯硅组成了像海绵一样的纳米尺度的孔径。这种微粒可以被挤压，它比晶体管和太阳能电池中的晶体硅柔软成百上千倍。“它的柔软程度和我们体内的胶原纤维相似”，Bozhi Tian教授的研究生Yuanwen Jiang解释道，“我们正在创造一种柔软度可以和真实组织匹配的材料。”

图为介孔硅颗粒。图左为微粒某一部分的透射X射线三维数据，表明为海绵结构；图右为透射电子显微镜图像，显示为一个有序的纳米线阵列。

科学家用他们称之为纳米铸造的方法来制造这种微粒。直径为7nm的纳米线通过直径更小的纳米桥连接，从而形成二氧化硅模具。用甲烷气体填充在模具中的孔径内从而分解出纯硅。物体尺寸越小，越多的表面原子支配它与外界环境的反应。相比于微桥，纳米线较大，相应的表面原子较少，相互作用较少，这会残留较多纯硅。

微粒被注射到某一细胞或人体内后，和细胞膜之间形成界面，从而使细胞膜和微粒成为一体。当被光照射时，微粒产生电流，电流通过界面刺激细胞从而改变细胞的活动。模具被注射后溶解，留下由氧化硅微桥连接的网状结构——纳米线。氧化硅吸收水从而增加结构的柔软性，纯硅保持它吸收光的能力。一旦实现治疗的目的，材料会自动降解。

科学家已经把这些微粒加入到实验室中的神经元培养基中培养，发现当给微粒光照时，有电流进入并刺激神经元。下一步将会研究微粒在生物体内的反应。他们关注的是和器官有联系的外周神经系统中的刺激神经。这些神经相对靠近身体表面，近红外光可以通过皮肤进入这些神经。

Tian希望通过光活化装置设计人体组织，并创建人工器官，从而替换受损器官。目前，科学家已经做出了构造相似的人造器官，但并不具备预想的功能。为了使制造的器官有预想的功能，需要在设计的组织中操控单个细胞。可注射的装置可以解决这一问题，就像技术工人调整引擎中的一个简单的螺栓一样，通过紧聚焦光束调整个别细胞。不通过基因工程合成生物器官是一件非常具有诱惑力的事情。

原文链接：Silicon nano-sponge can manipulate individual cells

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

本文由编辑部顾玥提供素材，朱晓秀编译，薛文嘉审核，点我加入材料人编辑部。