田副教授与研究生亚历山大·普罗明斯基和合影。学分:芝加哥大学芝加哥大学的研究人员为一种开发碳基生物电子设备的新方法申请了专利，这种设备在药物输送、物质检测和器官调节方面有多种应用。第一批临床应用广泛的生物电子设备包括起搏器和耳蜗植入器。然而，这些装置在历史上体积庞大、坚硬，并且对细胞和组织具有机械侵袭性。为了提高这些和未来设备的性能，需要更小、更灵活的设备。
芝加哥大学化学系副教授·田一直在从不同的角度探索这个问题，他在实验室的工作是利用半导体纳米材料模拟细胞行为，并用半导体元件增强现有的生物系统。该实验室还一直致力于开发新的生物物理工具，以了解细胞下动力学——特殊性，即实时控制活细胞的能力。
“过去，我们的实验室主要专注于硅和碳化硅等半导体，它们具有许多有趣的电子特性，”拥有多项半导体相关专利的田解释道。然而，硅有一些缺点，如稳定性问题，因此该团队决定专注于一种不同的材料:碳。
田实验室的博士生说，这个项目持续了三年，每个人都付出了巨大的努力。她说:“大多数实验我们都在一起工作，我从头到尾都参与其中，包括碳基生物电子器件的自下而上制造、生物实验和数据分析。
今天，这项工作的高潮是一项新的专利，该专利提出了一种创造碳基生物电子器件的新方法。这种方法是高度可扩展的，正如田所说，这种器件可以快速、高效、低成本地制造，并且可以长时间使用而不会出现退化问题。
此外，这种方法产生了单片材料——这意味着它不需要聚合物粘合剂，而聚合物粘合剂通常会导致器件体积更大。田实验室的博士生亚历山大·普罗明斯基(Aleksander Prominski)说，与目前研究的其他形式的碳相比，这种材料对细胞的毒性更小。他说，这项基于碳的生物电子学研究试图回答一个问题，即如何设计出既稳定又高效的生物相容性材料。
使用专利方法，研究人员可以制造出除了是单片的之外，还具有柔性、导电性以及最重要的生物相容性的设备。“我们已经表明，分级碳膜与生物结构形成高质量的界面，并能够调节细胞、组织和神经，”普罗明斯基解释说。
随着在生物物理学和组织工程中的潜在应用，该专利材料和装置已成功应用于体外或培养皿中的细胞刺激。接下来的步骤将包括在动物模型中测试该设备。
“在我们的身体中，细胞和组织交流的方式是使用离子，所以我们决定使用这种电化学装置来操纵这些离子。基本的想法是用这种材料来吸引和排斥离子，”田解释说。“我们的组织非常复杂；它们不仅通过化学方式交流，还通过电子方式。”
然而，正是这种复杂性使得研究人员能够用药物化学治疗疾病，也能够用类似于田实验室正在开发的电子设备治疗疾病。田说，应用这种双管齐下的电化学方法，“你不会错过一种可能的愈合或损伤修复方法”。
生物电子学及其他
研究人员展示了这些设备的各种潜在应用，这些设备还可以集成灵活的电传感或记录功能。它的潜在用途包括将car diac细胞的收缩率调节到目标频率，控制离体心脏和视网膜组织的电特性，以及刺激坐骨神经。
“对心脏和神经的有效刺激显示了这种材料在生物电子植入物中的应用潜力，”普罗明斯基补充道。孟还指出，该平台还可能用于能源研究或作为植入式电力元件。
“生物电子学是一个高度跨学科的领域，它通过促进对基础科学理解的新见解和促进各种生物医学应用，使物理和生命科学领域的技术受益，”孟说，她正专注于将合成材料用于细胞和细胞内生物调节的研究。
目前，她正在从事两个独立的项目，包括用于激活和调节T细胞和嵌合抗原受体(CAR) T细胞信号和功能的活性生物材料的开发。这项工作可能会对癌症的预防和治疗产生重大影响。
“我的第二个项目专注于活细胞中外泌体的电调节，这是这个生物电子学项目在亚细胞水平上的延伸，”孟补充说。她说，她想用田实验室开发的那种装置探索电刺激过程中细胞亚细胞水平的变化，比如外泌体的分布。
普罗明斯基还在两个主要方向上进行研究。“我的第一个项目专注于材料化学，我正在研究如何将表面纳米工程应用于设计高效的光刺激材料，”他说。这些材料可用于心脏起搏和神经刺激，具有许多有前途的临床应用，如可注射的临时起搏器和脑深部刺激探针。
他的第二个项目与细胞生理学有关——目标是开发先进的实时图像处理和自动化生物电子实验。“目前，我正在设计一个智能和自动化的计算机系统，可以在对人类实验者不实用的时间尺度上进行自主生物电子实验，”他解释说。该系统结合了最先进的机器视觉和机器智能算法。
Prominski解释说:“我相信，我的研究将使我们能够进行新类型的生物电子实验，这将扩大我们对生物系统的理解，并支持细胞和组织工程的新发展。
展望未来，普罗明斯基正与田和孟一起扩大他的研究，试图建立一个更好的模型，说明纳米结构的电子器件如何与细胞和t细胞问题相互作用，以及哪些信号通路正在被激活。目标是启用新的组织工程方法。
普罗明斯基说:“克服植入侵入性设备带来的成本和风险将使电子植入物在患者中得到广泛应用，以便在未来的个性化医学中进行更好的监测和治疗干预。
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