美国约翰霍普金斯大学：用纳米光刻技术“纹身”活细胞，构建下一代生物传感器和仿生设备

美国约翰霍普金斯大学：用纳米光刻技术“纹身”活细胞，构建下一代生物传感器和仿生设备

• 2023-09-18
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在单细胞水平上将电子和光学传感器与人体结合，未来有望实现对单个细胞的实时远程监测和控制。随着电子制造技术的进步，我们现在已经能够制造出纳米级别的晶体管和传感器，而创新的纳米图案技术也使这些设备能够在柔性基材上进行组装。然而，这些制造过程通常需要使用刺激性的化学品、高温或真空技术，而这些方法一般不适用活细胞和组织。

为了解决这些问题，美国约翰霍普金斯大学的研究团队研发出了一种无毒、高分辨率且经济高效的技术，该技术可以将金纳米图案精确地打印到活组织和细胞上。相关研究成果以Toward Single Cell Tattoos: Biotransfer Printing of Lithographic Gold Nanopatterns on Live Cells为题发表在Nano Letters上，证明了这项技术能够利用金纳米点和纳米线的柔性阵列为活细胞和组织“纹身”。该技术有望将智能设备与活体组织相结合，为仿生学和光学生物传感等领域带来革命性变革。

纳米技术与细胞交互的探索与实践

“如果拥有追踪单个细胞健康状态的技术，那么我们可能会在整个器官受损之前，更早地进行疾病的诊断和治疗，”团队领导David Gracias在一次新闻发布会上说道，“我们所讨论的，是将类似于电子纹身的设备放置在比针头还要小的活体上。这是在活细胞上植入传感器和电子设备的初始尝试。”

David Gracias、Luo Gu及其同事开发了一种三步纳米转移打印技术，用于将金纳米图案精确地附着到活细胞上。首先，他们采用传统的纳米压印光刻（NIL）技术，将金纳米点或纳米线阵列打印到涂有聚合物的硅片上。接着，他们溶解这层聚合物，从而使纳米阵列脱离；随后将其转移到玻璃盖片上。

接下来，研究团队用半胱胺将金表面进行功能化处理，并在金纳米压印光刻阵列上涂覆了藻酸盐水凝胶转移层。他们证明，这种技术能够稳定地将8 mm×8 mm的纳米点和纳米线阵列从玻璃转移到柔韧且有弹性的水凝胶表面上。将金纳米压印光刻阵列与明胶进行偶联，从而使其可以被转移到活细胞或组织上。最后，移除水凝胶转移层，展现出金纳米图案。

研究团队对活成纤维细胞在藻酸盐水凝胶上特定的金纳米结构上的行为进行了观察。这些金纳米结构包括两种：一种是直径为250 nm的金纳米点，它们之间的距离是550 nm；另一种是宽度为300 nm的金纳米线，它们之间的距离是450 nm。在细胞被接种到这些结构上后的24小时内，研究人员观察到以下现象：在纳米线结构上的细胞倾向于沿着纳米线的方向移动，而在纳米点结构上的细胞则没有特定的移动方向，但它们的移动速度略快。此外，纳米线上的细胞在形态上伸展得更长，其伸展率约是纳米点上细胞的两倍。这些观察结果表明，金纳米压印光刻阵列可以影响细胞的方向和移动方式。

藻酸盐水凝胶不仅与细胞和组织有良好的生物相容性，而且它还能有效地将金纳米压印光刻图案成功转移至活体器官和细胞。为了验证这一特性，研究团队将带有纳米线图案的水凝胶放置在整个大鼠大脑及其冠状脑切片的大脑皮层部分，以观察其效果。

实验结果表明，在培养基中培养2小时并移除水凝胶后，纳米线仍然紧密地附着在整个大脑的表面。与此相反，脑切片上的纳米线并未成功附着，这揭示了粘附效果可能受到细胞类型和培养方法的影响。研究人员强调，为了达到稳定且长期的粘附效果，还需进一步研究来深入了解并优化这一粘附机制。

最终，为了评估在单细胞层面上的生物转移打印效果，研究团队在金纳米压印光刻阵列打印的藻酸盐水凝胶上培养了单层细胞。24小时后，他们将含有成纤维细胞的水凝胶翻转到明胶包被的盖玻片上，让细胞附着在盖玻片上过夜。

在解离藻酸盐水凝胶后，通过荧光显微镜观察，被金纳米点图案化的成纤维细胞显示出约97%的活性，而被纳米线图案化的成纤维细胞则显示出约98%的活性，这说明打印过程与活细胞是生物相容的。此外，图案化的成纤维细胞片上的反射色彩证明了金纳米压印光刻阵列的形态得以保留。

结合微尺度光刻技术：生物光学传感未来可期

该制造技术还与微尺度光刻技术相兼容，这使得研究团队能够制造出宽度为200的六边形和三角形的金纳米压印光刻阵列斑块。接着，他们将这些斑块生物转移打印到细胞层上，从而实现了在微贴片上成纤维细胞的有选择性长。通过长达16小时的连续摄像，观察到那些顶部印有纳米线斑块的细胞不仅看起来健康，而且能够自由迁移。即便在细胞移动过程中，这些纳米阵列仍然稳定地附着在细胞表面。

David Gracias表示：“我们已经展示了能够将复杂的纳米图案成功附着到活细胞上，同时确保细胞保持其活性。这是一个重要的发现，因为细胞能够在带有这种纳米纹身的情况下存活和移动。通常，活细胞与工程师用于制造电子产品的技术之间存在明显的不兼容性。”

David Gracia团队认为，他们的纳米图案化技术与标准的微加工技术的结合，为创新细胞培养基、生物复合材料、仿生设备以及生物传感器提供了新的可能性。他们接下来的计划是尝试连接更为复杂的纳米电路，这些电路能够持续更长的时间，并探索与不同种类细胞的相互作用。

相信随着这些技术的进一步发展，生物医学光子学领域有望迎来更多的创新和突破，为未来的医疗健康提供更为精准和高效的解决方案。《中国激光》坚持追踪和服务生物医学光子学的发展，并策划了多个系列专题；2022年起，该期刊聚焦生物医学光子学前沿热点，打造了“生物医学光子学”专题子刊，并创办同名会议，为国内外生物光子学研究提供一个全新、高水平展示平台。