隨著半導(dǎo)體工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們關(guān)于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料物理化學(xué)性質(zhì)的知識(shí)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料還具有良好的生物相容性，從而拓展了這類(lèi)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(kāi)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(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)量局部生物電信號(hào)，西北大學(xué)John Rogers組開(kāi)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(kāi)展的基于量子點(diǎn)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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和傳感外，近年的研究表明，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料還可以向生物體系輸入信號(hào)（電學(xué)，熱學(xué)，力學(xué)等）來(lái)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料（硅納米線(xiàn)，量子點(diǎn)等）的人工光合作用，以及芝加哥大學(xué)田博之組開(kāi)展的基于硅基生物材料（介孔硅顆粒，硅納米線(xiàn)，柔性硅膜等）的光控神經(jīng)調(diào)制技術(shù)。
【成果簡(jiǎn)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(wèn)題的重要性則往往被忽視。事實(shí)上，越來(lái)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(jì)跨越界面的信號(hào)或能量流動(dòng)的模式才是實(shí)現(xiàn)高效的功能性生物界面的基礎(chǔ)。近日，在國(guó)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(wú)機(jī)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(shí)和半導(dǎo)體器件的工作原理，并且著重強(qiáng)調(diào)了其在生理?xiàng)l件下相比于傳統(tǒng)固態(tài)條件下工作特點(diǎn)的不同之處。隨后，作者們總結(jié)了各種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)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(hào)傳導(dǎo)機(jī)理，作者們將已有的研究分成了如下幾大類(lèi)，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(duì)應(yīng)的事例分析。最后，作者們提議未來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)對(duì)材料的生物相容性進(jìn)行系統(tǒng)的定量分析，并且指出了一些未來(lái)材料發(fā)展方向以及與其相關(guān)的重要生物學(xué)問(wèn)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料和器件用于生物研究的里程碑。詳見(jiàn)前言。
圖2：無(wú)機(jī)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(jiàn)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶相對(duì)于真空能級(jí)和生理?xiàng)l件下氧化還原電對(duì)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(dòng)。
圖3：常見(jiàn)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件的工作原理。
（a）場(chǎng)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(lèi)型。
（a）零維量子點(diǎn)可以用于人工光合作用和標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程。（b）一維納米線(xiàn)可以用于細(xì)胞內(nèi)電生理記錄和促進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)多功能細(xì)胞探針和類(lèi)組織檢測(cè)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(cè)，光電檢測(cè)，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(hào)傳導(dǎo)模式。
（a）①場(chǎng)效應(yīng)管可以用來(lái)檢測(cè)局部分析物濃度和細(xì)胞膜電位②光電二極管可以用來(lái)檢測(cè)生物發(fā)光過(guò)程③光伏器件可以通過(guò)光電容或光電化學(xué)過(guò)程來(lái)刺激細(xì)胞行為④發(fā)光二極管結(jié)合光遺傳技術(shù)可以用來(lái)直接刺激細(xì)胞⑤載流子符合產(chǎn)生的熱能可以用于改變細(xì)胞膜電容以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞刺激⑥納米尺度的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料可以被細(xì)胞內(nèi)吞，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)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(guò)程的區(qū)別。
【小結(jié)和展望】
無(wú)機(jī)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(xì)得討論了無(wú)機(jī)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(hào)傳遞機(jī)理，為此后的研究打下了堅(jiān)實(shí)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(wèn)題需要新的手段來(lái)進(jìn)行深入的研究。新近開(kāi)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(jī)遇。舉例來(lái)說(shuō)，結(jié)合基因工程和生物礦化過(guò)程或許能夠定點(diǎn)定向得在特定細(xì)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(cè)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(duì)象可以用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料和器件來(lái)進(jìn)行研究，包括細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)和基于運(yùn)動(dòng)蛋白的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，微生物群落內(nèi)通訊，以及胚胎發(fā)育過(guò)程等。