【引言】

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們關(guān)于無機半導(dǎo)體材料物理化學(xué)性質(zhì)的知識已經(jīng)相當(dāng)豐富，也因此發(fā)展出了一整套成熟的器件加工工藝。除了在電子行業(yè)的廣泛應(yīng)用外，許多無機半導(dǎo)體材料還具有良好的生物相容性，從而拓展了這類材料器件在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。早期的開創(chuàng)性研究包括哈佛大學(xué)Charles Lieber組發(fā)展的利用硅納米線場效應(yīng)管測量局部生物電信號，西北大學(xué)John Rogers組開發(fā)的基于柔性硅膜的表皮電子器件和可生物降解器件，以及加州大學(xué)伯克利分校Paul Alivisatos組開展的基于量子點光致發(fā)光現(xiàn)象的生物熒光成像。除了可以接受生物信號來實現(xiàn)監(jiān)測和傳感外，近年的研究表明，無機半導(dǎo)體材料還可以向生物體系輸入信號（電學(xué)，熱學(xué)，力學(xué)等）來調(diào)控生物體本身的行為，例如加州大學(xué)伯克利分校的楊培東組提出的基于無機半導(dǎo)體材料（硅納米線，量子點等）的人工光合作用，以及芝加哥大學(xué)田博之組開展的基于硅基生物材料（介孔硅顆粒，硅納米線，柔性硅膜等）的光控神經(jīng)調(diào)制技術(shù)。

【成果簡介】

該領(lǐng)域前期的研究主要著眼于材料和器件本身的性能優(yōu)化上，而材料和生物界面問題的重要性則往往被忽視。事實上，越來越多的研究指出，確保材料和生物體系在力學(xué)性質(zhì)和物理尺寸上的匹配，以及合理設(shè)計跨越界面的信號或能量流動的模式才是實現(xiàn)高效的功能性生物界面的基礎(chǔ)。近日，在國際著名期刊Nature Reviews Materials上，芝加哥大學(xué)田博之組發(fā)表了題為Inorganic semiconductor biointerfaces的綜述文章，系統(tǒng)得歸納了現(xiàn)有的無機半導(dǎo)體材料生物界面的特性，以及其在生物物理和生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。在本文中，作者們首先討論了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識和半導(dǎo)體器件的工作原理，并且著重強調(diào)了其在生理條件下相比于傳統(tǒng)固態(tài)條件下工作特點的不同之處。隨后，作者們總結(jié)了各種常見的無機半導(dǎo)體材料的合成和器件加工工藝，包括各種可能的零維，二維，二維和三維體系。最后，基于不同生物電子學(xué)和生物光子學(xué)器件在生物界面上的信號傳導(dǎo)機理，作者們將已有的研究分成了如下幾大類，包括電學(xué)和光電生物傳感，光電和光熱生物刺激以及光致發(fā)光生物成像，并且分別給出了對應(yīng)的事例分析。最后，作者們提議未來的研究應(yīng)當(dāng)對材料的生物相容性進行系統(tǒng)的定量分析，并且指出了一些未來材料發(fā)展方向以及與其相關(guān)的重要生物學(xué)問題。本文的第一作者為原芝加哥大學(xué)化學(xué)系博士生，現(xiàn)斯坦福大學(xué)化工系博士后蔣圓聞，通訊作者為芝加哥大學(xué)化學(xué)系田博之教授。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：一些將無機半導(dǎo)體材料和器件用于生物研究的里程碑。詳見前言。

圖2：無機半導(dǎo)體和生理液體界面的材料物理總結(jié)。

（a）直接和間接帶隙半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)區(qū)別。（b）常見半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶相對于真空能級和生理條件下氧化還原電對的位置。（c）半導(dǎo)體和電解質(zhì)界面的能帶彎曲現(xiàn)象以及受其影響的光生載流子的流動。

圖3：常見無機半導(dǎo)體器件的工作原理。

（a）場效應(yīng)管（b）pn結(jié)（c）光伏器件（d）發(fā)光二極管。

圖4：各種維度的半導(dǎo)體材料和器件以及其可能形成生物界面類型。

（a）零維量子點可以用于人工光合作用和標(biāo)記細胞內(nèi)主動運輸過程。（b）一維納米線可以用于細胞內(nèi)電生理記錄和促進微生物燃料電池。（c）二維薄膜可以用于加工瞬態(tài)電子學(xué)器件和非遺傳光電神經(jīng)刺激。（d）三維介觀結(jié)構(gòu)可以用來實現(xiàn)多功能細胞探針和類組織檢測網(wǎng)絡(luò)。（e）生物電子學(xué)和生物光子學(xué)界面包括電學(xué)檢測，光電檢測，光電刺激，光熱刺激和光致發(fā)光成像等。

圖5：各種跨越生物界面的信號傳導(dǎo)模式。

（a）①場效應(yīng)管可以用來檢測局部分析物濃度和細胞膜電位②光電二極管可以用來檢測生物發(fā)光過程③光伏器件可以通過光電容或光電化學(xué)過程來刺激細胞行為④發(fā)光二極管結(jié)合光遺傳技術(shù)可以用來直接刺激細胞⑤載流子符合產(chǎn)生的熱能可以用于改變細胞膜電容以實現(xiàn)細胞刺激⑥納米尺度的無機半導(dǎo)體材料可以被細胞內(nèi)吞，從而實現(xiàn)細胞內(nèi)功能界面。（b）光電容（只涉及雙電容充放電）和光電化學(xué)（包括界面氧化還原反應(yīng)）過程的區(qū)別。

【小結(jié)和展望】

無機半導(dǎo)體材料和器件由于其多樣的物理化學(xué)性質(zhì)，良好的可加工性和生物相容性，已經(jīng)被廣泛得用于生物物理學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。本文詳細得討論了無機半導(dǎo)體材料器件的合成加工和工作原理，深入得總結(jié)了跨越生物界面的各種信號傳遞機理，為此后的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。盡管如此，在材料生物的界面上仍然有許多尚未完全回答的問題需要新的手段來進行深入的研究。新近開發(fā)的表征技術(shù)包括高速原子力顯微學(xué)，瞬態(tài)光譜，冷凍離子束刻蝕，高速超分辨顯微學(xué)等手段都可能得到前所未有的關(guān)于生物界面的高精度結(jié)構(gòu)和功能信息。除此之外，新型的材料合成手段也可能為生物界面提供新的機遇。舉例來說，結(jié)合基因工程和生物礦化過程或許能夠定點定向得在特定細胞內(nèi)腔室處合成具有特定形貌的納米半導(dǎo)體材料用于高精度生物檢測或者高效能生物調(diào)控。最后，除了傳統(tǒng)的電學(xué)活性的生物體系外，還有許多新的對象可以用無機半導(dǎo)體材料和器件來進行研究，包括細胞骨架的結(jié)構(gòu)和基于運動蛋白的主動運輸過程，微生物群落內(nèi)通訊，以及胚胎發(fā)育過程等。

文獻鏈接：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發(fā)表文章（節(jié)選）：

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)

4) Fang, Y.,* Jiang, Y. W.,* Ledesma, H. A.,* Yi, J., Gao, X., Weiss, D. E., Shi, F. Y., & Tian., B. Z. Texturing Silicon Nanowires for Highly Localized Optical Modulation of Cellular Dynamics, Nano Letters 18, 4487-4492 (2018). (*These authors contributed equally to this work.)

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.)

來源：材料人