B体育官网田博之副教授和他的研究生Aleksander Prominski、孟令媛（图片来源：芝加哥大学）

　　芝加哥大学（University of Chicago）的研究人员已经为他们开发碳基生物电子设备的新方案申请了专利。这种开发方案在药物运输、物质检测和器官调节方面具有广泛的应用。

　　起搏器和人工耳蜗是早期在临床应用中使用最为广泛的生物电子设备。但这些设备在过去往往较为笨重、僵硬，且会机械性地侵入细胞和组织。因此，开发体积更小，更灵活的设备并提高此后该类设备的性能势在必行。

　　芝加哥大学化学系的副教授，田博之（Bozhi Tian），一直试图从不同的角度探讨这个问题，其实验室致力于使用半导体纳米材料模拟细胞行为，以及通过半导体元件增强现有的生物系统。此外，该实验室也一直从事新型生物物理工具的开发，以此探索亚细胞动力学的奥秘，特别是实时控制活细胞的能力。

　　“过去，我们实验室主要专注于像硅和碳化硅这样的半导体，它们具有很多有趣的电子特性”田博之解释道，他拥有几项半导体相关的专利。但是，硅也有一些缺点，例如稳定性问题，因此研究团队决定将目光转向另一种相似的物质——碳。

　　“在这个持续三年的项目中，所有人都付出了巨大的努力。”田博之实验室的博士生，孟令媛（Lingyuan Meng）解释道，“我们大多数实验都是共同完成的，而我从始至终都参与其中，包括以自下而上（bottom-up）的方式制造生物电子设备，进行生物实验和分析数据。”

　　现在，这项工作作为一种创造了碳基生物电子设备的新方法，终于获得了新型专利的认证。该方案具有高度的可拓展性，正如田教授所言，使用该方法可以以较低的成本实现快速、高效的生产，并且制造的设备适用于长时间佩戴，且没有设备老损的问题。

　　此外，该方案保持了材料的整体性，这意味着它无需加入会导致设备体积增大的聚合物粘结剂（polymer binder）。并且对比其他当前研究的碳的形式，这种类型的材料对细胞的毒性更弱，田博之实验室的博士生，Aleksander Prominski如是说。同时，他表示，这项碳基生物电子的研究试图回答这样一个问题：如何能够设计出稳定且具备高能效的生物兼容材料。

　　使用该专利方案，研究人员可以制作出除了具备整体性之外，还具备灵活性、导通性、以及最为重要的生物相容性的设备。“我们已经证明了分层多孔碳膜（hierarchical carbon membranes）可以同生物结构一起形成高质量的界面，并且能调节细胞、组织和神经。”Prominski解释道。

　　该专利材料和设备已经被成功应用于激外或培养皿中的细胞，在生物物理学和组织工程学方面具有应用前景。研究的下一步是使用动物模型来测试其性能。

　　“在我们的身体中，细胞和组织使用离子来进行交流，因此我们决定用电化学设备操纵离子从而干涉这一进程，核心思想是用材料以吸引和排斥的方式来控制这些离子。”田教授解释说，“我们的生物组织非常复杂；它们不仅依赖化学方式交流，也靠电信号交换信息。”

　　然而，正是这种复杂性使得研究人员可以同时使用化学药物和像田博之实验室开发的设备这样的电子手段来治疗疾病。应用这种双管齐下的电化学方法，“你不会错过康复或修复损伤的任何可能。”田教授说道。

　　研究人员已经证明了该设备具有多种潜在应用，还能结合包括灵活的电子传感或记录功能使用。可能的应用包括，调制心肌细胞的收缩速率至指定频率，控制离体心脏和视网膜组织的电子特性，以及刺激坐骨神经（sciatic nerves）等。

　　“该材料对心脏和神经进行的有效刺激表现出其在生物电子植入方面的应用潜力。”Prominski补充道。同时，孟令媛指出，该平台也可用于能源研究或是作为一种可植入的动力元件投入使用。

　　“生物电子是一个高度综合的跨学科领域，它促进了物理与生命科学的进步，包括为相关基础科学注入新见解，以及推动多种生物医学应用发展。”孟令媛说道，她的研究重点是使用人工材料进行细胞和细胞内的生物调节。

　　目前，她正从事于两个独立的项目，包括一种可以激活和调节T细胞以及嵌合抗原受体（Chimeric Antigen Receptor，CAR）T细胞信号传递和功能的活性生物材料开发。这项工作可能对癌症的预防和治疗具有重要意义。

　　“我的第二个项目专注于活细胞中外泌体（exosome）的电调节，有点像将这个生物电子项目在亚细胞尺度的拓展。”孟令媛补充道。她同时表示想要通过使用田博之实验室开发的类似的设备来探索在电刺激下，亚细胞尺度上细胞内的物质变化，例如外泌体的特征变化。

　　Prominski同样将他的研究推进到两个主要的方向上，他说：“我的第一个项目专注于材料化学，我正在学习如何将表面纳米工程应用于高效光刺激材料的设计。”这些材料可以应用于心脏起搏和神经刺激，同时具有广阔的临床应用前景，如注射式的临时起搏器和深层脑刺激探针。

　　他的第二个项目和细胞生理学有关，目标是开发出先进的，具备实时图像处理功能的自动化生物电子实验平台。他解释道：“当前，我正在设计一个智能自主的计算机系统，它能够在不适用人类实验员的时间尺度上进行自动化的生物电子实验。”该系统结合了最为前沿的机器视觉和机器智能算法。

　　“我相信，我的研究将会使我们开发出新型的电子生物实验，并且拓展我们对于生物系统的理解，同时有助于推进细胞和组织工程中的新进展。”Prominski解释说。

　　进一步的，Prominski将与田博之教授和孟令媛一起拓展他的研究，试图建立一个更好的模型来解释纳米电子器件如何与细胞和组织相结合，以及其中哪些信号通路被激活了。其目标是建立组织工程中的新方法。

　　“克服侵入式设备的植入所带来的成本和风险，将会使电子植入设备广泛应用于患者群体成为可能，这能帮助实现未来个性化医疗中更好的指标监控和治疗干预。”Prominski说。