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    《PNAS》:化學改性蠶絲蛋白用于微電極陣列測試生物電生理信號
    2020-06-24  來源:高分子科技

      近年來,生物電子學領域的一系列研究進展使生物性的細胞、組織、器官與非生物性的電子設備間的界面漸趨模糊,開啟了生物體與非生物體可視化雙向溝通的時代,并使得原本只存在于科幻世界的“電子人”有可能走進現實。生物電子芯片的根本是通過傳感器傳導和記錄電信號,監測、調控電興奮類細胞的電生理特征。其中,調控芯片組成,使其與周圍生物組織間形成穩定且良好的電子傳輸通道是生物電子器件發揮作用的關鍵。因此,開發具有良好生物相容性且具有生物活性的電絕緣性材料,保證電子芯片功能性的前提下,促進其與細胞間的融合具有重要的意義。


      美國塔夫茨大學生物醫學工程系Brian Timko教授研究團隊,從天然的蠶絲蛋白出發,通過簡單的化學改性制備了可光交聯絲蛋白(PSF),展示了其類比于傳統光刻膠SU8的光加工性能,電絕緣性能、增強的神經細胞黏附性能。并以PSF為微電極陣列芯片的生物相容絕緣層,成功記錄了HL-1心肌細胞,小鼠心臟組織及大腦切片的電生理信號。相關工作以“Photo-crosslinkable, insulating silk fibroin for bioelectronics with enhanced cell affinity” 為題發表在PNAS 上。


    圖一:可光交聯蠶絲蛋白制備路線圖。天然蠶絲中的絲芯蛋白經過一步甲基丙烯酸酯化反應,即可具備紫外光交聯能力。


    圖二:蠶絲蛋白光刻膠(PSF)的微加工性能。(a),PSF用作負性光刻膠加工示意圖。在紫外光及合適掩模版作用下,PSF可加工為任意形狀的圖案。PSF在普通的光刻機上具有適用性。(b-d),光學及電子顯微鏡下PSF-TUFTS logo,顯示其具有~1μm的空間分辨率。(e),玻璃基底上制備的十字交叉型PSF圖案。內嵌小圖展示了沿紅色虛線所示圖案的高度,圖案具有鋒利邊界。(f),PSF均勻膜的厚度能夠通過溶液濃度和涂膜轉速進行精確調控。(g)通過刻蝕基底犧牲層可獲得具有高柔韌性、自支撐性的PSF十字交叉型結構。


    圖三:PSF用于生物電子芯片檢測電生理信號。(a)阻抗測試裝置示意圖。(b),不同濃度PSF溶液制備的薄膜阻抗譜。200nm蒸鍍的二氧化硅膜為對照組。(c-d),PSF電絕緣的微電極陣列結構示意圖及實物圖。(e),光學顯微鏡下單個電極及導線,其中導線部分由PSF進行絕緣包覆。(f),培養在微電極上的HL-1心肌細胞電鏡圖。粉色,亮黃及暗黃色分別指示細胞,電極,及PSF絕緣層。(g),以PSF為絕緣層的微電極陣列測試不同培養天數下,HL-1細胞胞外電信號。(h)為(g)中紅色框內區域的放大。隨HL-1培養天數的增加,細胞間逐漸形成緊致排列的單層,所測試信號強度變大。


    圖四:PSF對神經細胞黏附性實驗。以傳統光刻膠SU8為對照,分別在玻璃基底上構筑十字交叉型圖案(i)。將人類誘導神經干細胞種植在有PSF/SU8圖案的基底上,觀察一段時間后細胞分布狀態的變化。(a-b)亮場顯微鏡。神經元特異性標記抗體TUJ1染色(c-d),細胞核DAPI染色(e-f),及復合熒光圖像(g-h)。(j-k),分別以TUJ1及DAPI染色細胞為統計對象,比較細胞在PSF和SU8圖案化表面上分布差異。神經細胞在PSF與玻璃基底表面均勻分布,而避開SU8區域,表明PSF具有比SU8更強的細胞親和性。


      進一步研究還發現,PSF與SU8對細胞親和性的差異來自于PSF表面的負電特性,使其更易于結合更多的細胞黏附因子PDL,從而提供優于SU8的細胞生長基底。由于生物電信號的傳導強烈依賴于細胞膜與傳感器表面的緊密結合,因此該研究所開發具有對神經細胞增強黏附的生物活性、電絕緣光刻膠對生物微電子學科的發展具有重要意義。


      論文的第一作者是鞠婕博士,現為河南大學材料學院特聘教授。合作者包括中山大學電子與信息工程學院胡寧副教授,浙江省之江實驗室的劉海濤博士


      論文信息及鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.2003696117


      鞠婕教授目前在組建研究團隊,歡迎具有高分子材料、表界面浸潤性、及生物醫學研究背景的博士人員依托課題組申請講師、副教授、師資博后等其它層次職位。詳細信息請參考http://muchong.com/t-14286350-1http://muchong.com/t-14286362-1。歡迎咨詢郵箱:jujie@henu.edu.cn

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