自下而上的高度可定製的碳基生物電子介面的自組裝

將柔軟的，具有延展性的活細胞與堅硬的，不靈活的電子裝置整合在一起可能是一項艱鉅的任務。芝加哥大學的研究人員已經開發出一種新方法來應對這一挑戰，它利用微觀結構來構建生物電子學，而不是自上而下地建立生物電子學，從而創造出高度可定製的產品。

研究人員對建立可以與生物組織無縫對接的電子裝置非常感興趣。這些可以用作研究細胞和組織如何工作的工具，也可以用作醫療裝置，例如用於治療帕金森氏病或心臟問題的組織刺激。

通常，此類生物電子學是透過"自上而下"的方法建立的，這些電子學已經組裝在一起，並變得更小以適合生物系統。但是在一項發表在《Nature Nanotechnology》上的新研究中（"用於生物電子介面的多孔和整體式碳膜的膠束啟用自組裝"）。田伯之教授及其團隊使用不同的方法。研究人員採用了一種"自下而上"的方法，其中將稱為膠束的小構件組合在一起，形成了基於碳的生物電子學。

芝加哥大學的研究人員設計了一種"自下而上"的方法來建立可用於醫學研究或用於治療帕金森氏病或心臟疾病的組織刺激器等裝置的碳基生物電子產品。圖片：田實驗室

膠束是由於與水的相互作用而可以形成球形結構的分子的集合。這些獨特的結構在許多重要的生物和化學過程中起著不可或缺的作用，例如去汙劑如何去除油脂或人體如何處理某些脂肪。

小膠束聚集在一起，形成非常薄的奈米多孔片，上面覆蓋著非常小的孔，從而提供了更大的靈活性。這些孔增加了表面積，允許更多的接觸和更好的介面。孔還改善了生物電子器件的柔韌性，這是重要的，因為生物電子需要能夠很好地與柔軟的生物膜配合。要理解這一點，請想象一塊帶有許多氣孔的蛋糕與可口的布朗尼的可塑性。

"這是第一篇將膠束驅動的微觀自組裝技術用於生物電子學的研究論文，"化學專業研究生，論文的第一作者，作者Aleksander Prominski說。"它還建議我們應該從其他領域（例如儲能）中尋求更多原則來構建生物介面。"

多孔碳基材料和裝置是獨立的而且可以被操縱。（a） 矽上合成碳膜的照片晶片和使用緩衝HF釋放後的獨立碳膜。（b） 代表製造過程中叉指型器件的照片。漂浮在水面上的裝置

（iii）使金/SU-8面朝上，同時將裝置轉移到玻璃上（iv）顯示碳面朝上。在灌注室中可以組裝一個用於視網膜切片實驗的裝置（v） 是的。（c） 多通道叉指器件製作的代表性照片。

器件的製作和設計具有可擴充套件性和可推廣性。（a）柔性微型超級電容器器件製作橫截面示意圖。（b） 幾何學在柔性器件中使用的一種具有代表性的叉指電極圖案。（c） 計算機輔助設計大面積裝置。（d） 8位多通道記錄/刺激裝置的計算機輔助設計。未顯示互連和FFC標頭。（c）和（d）中的虛線矩形表示樣本位置（b）中顯示的特徵。所有測量單位均為毫米。

多孔碳基器件可用於心電記錄大鼠心臟電生理學研究。（a） 大面積碳電極作正極記錄

鉛。（b） 用大面積碳電極作正負極引線記錄。（c）位於大鼠心臟上的多電極陣列照片（記錄部位約4 mm2)以及（d-f）特定地點的記錄。在不同的時間點記錄了微量元素，

但不移動電極。

展望：

這種方法的另一個優點是構建裝置的多功能性。建立生物電子學就像交換構建模組一樣簡單。"我們的多孔碳膜能夠進行生物物理感測和刺激，"普利茲克分子工程學院的研究生，論文的第一作者，共同研究的孟玲媛說。"這項技術還可以找到臨床應用來解決諸如癲癇病或帕金森氏病等疾病。"