独特三维结构！科创青年研究员胡宁制备出新型心肌细胞胞内电生理传感器

心血管疾病是人类健康的第一杀手。根据世界卫生组织的估计，全球每年超1700万人死于心血管疾病，约占全球死亡总数的1/3，到2030年心血管疾病预计将导致2300万人死亡。这些病例中，心律失常是关键性诱因，因此阐明心律失常的潜在机制十分重要。

近日，浙江大学杭州国际科创中心超分子新物质创制创新工坊求是科创学者胡宁研究员在Nano Letters上发表了最新成果——多孔纳米模板电极传感调控系统，该成果就与心脏病学、神经科学研究息息相关，并且已经开始投入产业试用，正在为我们的生命健康保驾护航。

图1. 胞内动作电位记录的纳米模板电极传感系统

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独特三维结构 新型传感器来了！

本次成果是一款用于检测心肌细胞胞内电生理的新型传感器。众所周知，要想做好心脏病机理研究与药物筛选，就必须得破解心脏肌肉细胞的电信号秘密，这自然就少不了传感器去“打探”消息（电信号）。

图2 多孔纳米模板电极传感系统高灵敏记录细胞内动作电位

传统传感器的造型往往是扁扁的，看上去就像二维的铁片，但是胡宁研究员研制的传感器却制造了三维结构。独特的三维结构，增强了传感器与细胞之间的耦合，大大提升了检测的性能，提高了电信号的质量，使得胞内电生理信号研究时间更加稳定持久。

举个例子，配合自主研发的传感调控仪器，使用胡宁研究员研制的传感器，胞内电信号的记录成功率高达100% ，电信号的幅值可以是传统的传感器10倍，持续时间是传统的10倍甚至百倍！

图3. 垂直Au-Al2O3纳米模板电极在细胞内记录动作电位。（A）心肌细胞在纳米模板电极阵列上活性表征；（B）心肌细胞在Au-Al2O3纳米模板电极上的电镜照片；（C）利用三维纳米模板电极电穿孔使细胞膜产生纳米裂缝；(D,E)局部电穿孔前后，纳米模板电极记录的心肌细胞胞外与胞内动作电位；(F,G)胞内外信号幅值与信噪比统计分析；(H) 多通道纳米模板电极同步记录动作电位

图4. 垂直Au-Al2O3纳米模板电极高灵敏长时记录心肌细胞胞内动作电位。（A,B）两类三维结构纳米电极细胞界面对比；（C,D）细胞在两类纳米电极上耦合的电镜表征；（E）各类传感器件的电化学阻抗谱表征；（F,G,H）Al2O3纳米模板电极和ZnO纳米棒电极在电穿孔记录心肌细胞动作电位持续时间的对比；（I）电穿孔所记录胞内外典型信号的对比；（J,K）胞内电信号幅值与持续时间的统计分析

这就意味着科研人员获得了一个既稳定又持久的环境，能够放心去研究胞内电生理信号，不用担心信号不稳定或者不持久。

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最常规加工制备方法 新技术并不贵

高精尖的设备在人们印象里，制备的过程往往都会比较复杂。但胡宁研究员此次成果的制备却十分便捷。

“我们使用的就是最常规的加工过程，能够兼容大规模微纳加工制造工艺，工艺复杂度比以往的设备制造更低，成本也不高。”胡宁研究员介绍，“虽然过程简单了，但我们的成功率却显著提升了，这可以说这最有产业化前景的。”

低成本、高效率，对产业界来说，这无疑是推广一项新技术的必要条件。胡宁研究员表示，目前，他们的研究成果已经收到技术开发和传感器订制的订单，开始了产业化的探索之路。

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将核心技术把握在自己手中

胡宁研究员学的是生物医学专业，本身就兼具电子信息的基础知识，同时又了解生物医学的基本诉求。对他来说，做用于胞内电生理信号的传感器，不仅是学科交叉创新的必然要求，也是个人兴趣所在。

“我们试错花了将近半年时间，找到合适的途径之后，推进就比较迅速了。”胡宁研究员说：“我们的研究依托前期在哈佛大学与塔夫茨大学胞内微纳电子学研究经验、浙江大学生物医学传感的技术基础、中山大学先进的微纳加工研究平台，最终提出了模板法胞内电生理传感技术，开发出了新型的纳米模板电极传感调控系统。”

胡宁研究员表示这项成果最自豪的地方就在于，从传感器、仪器、软件到生物医学实验，核心技术都掌握在自己手中，他也期待未来通过更多探索，能够真正让技术助力中国相关产业发展。

胡宁研究员介绍：“我的专业本身就是信息科学、物质科学与生命科学的交叉汇聚，这与科创中心的定位是不谋而合，在这里开展交叉创新的探索，条件可谓得天独厚。”

不久前，科创中心召开了2022年度创新创业生态大会，进一步明确了探索实验室经济新业态，打造产学研联动新生态的发展方向，这对包括胡宁研究员在内有志于做好产业创新的科技工作者来说，无疑是个好消息。

将个人兴趣与时代相结合，将科技创新与市场发展相结合，胡宁研究员期待，在“浙”片舞台，将擅长的事情做到极致，创造更多奇迹！

如果您想了解关于胡宁研究员更多信息欢迎关注：https://person.zju.edu.cn/zjuhuning

文字/图片：吴瑶瑶/超分子新物质创制创新工坊

本文编辑：孔晓睿

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