研究透视：石墨烯基生物传感器-神经电生理学-2篇-Nature Nanotechnology

导读：石墨烯优点：1高比表面积，2高机械强度，可用于柔性可穿戴设备，3可调控化学活性，可通过缺陷、层数和形貌等调控石墨烯表面化学活性，4可调控光学性质。为此，石墨烯基生物传感器可分为：电化学，光学，电学和压力传感器。第一篇是柔性石墨烯深度神经探针，由石墨烯微晶体管线性阵列组成，用来记录脑电生理信号。第二篇是有源场效应三维晶体管，实现神经电生理学检测，供参考。

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1 石墨烯微晶体管探针，神经电生理学

整频率带宽的脑电生理信号绘制，对于理解生理和病理状态是至关重要。若在相同记录位点，有能力同时记录直流偏移、次低频振荡（<0.1Hz）、典型局部场电位（0.1–80Hz）和更高频率（80–600Hz），将特别有益于临床前癫痫研究，并可为改善癫痫发作区域描绘，提供临床生物标志物。然而，通常使用的金属微电极技术极不稳定性，这妨碍了DC耦合记录的高保真度，而DC耦合记录，是访问极低频率信号所必需的。

近日，西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所Jose A. Garrido，巴塞罗那微电子研究所IMB-CNM（CSIC）Anton Guimerà-Brunet， 伦敦大学学院Rob C. Wykes团队在Nature Nanotechnology上发文，报道了一种新型柔性石墨烯深度神经探针flexible graphene depth neural probes， GDNPs，由石墨烯微晶体管线性阵列组成，同时记录清醒啮齿类动物的直流位移和高频神经元活动。研究表明，在化学诱导癫痫发作的小鼠模型中，柔性石墨烯深度神经探针GDNPs，实现可靠地记录和绘制高空间分辨率癫痫发作，发作前DC偏移和癫痫发作相关的扩散去极化，以及通过皮层到海马的较高频率。此外，通过在失神癫痫大鼠模型中，记录高保真自发性棘波放电和相关的次低波振荡，证明了长期植入装置超过10周的功能。总之，该研究工作，可以实现稳定和长期的直流耦合记录，突出了该技术在体内电生理学研究，特别是癫痫研究中的适用性。

图1：柔性石墨烯深度神经探针GDNP技术和特性。

图2：验证GDNPS的体内全带宽记录能力。

图3：特征性癫痫生物标志物的电生理记录。

图4：柔性石墨烯深度神经探针GDNPs稳定性、功能性和生物相容性的长期评估。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01041-9

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01041-9

本文译自Nature。

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2 三维晶体管阵列，记录细胞电脉冲

导读：电生理学方法Electrophysiological approaches，用于阐明和调节生电细胞活动。跨膜电位与细胞溶质和间质之间的有关离子流，是组织和器官宏观电生理特性基础。传感器与细胞质接触，是直接细胞内传感所必需的。各种形式的膜片钳，一直是记录跨膜电位的金标准。然而，同时在多个单元上执行是具有挑战性的。基于电压敏感染料方法，可以并行记录多个细胞，但受到细胞毒性和低时间分辨率的困扰。对于细胞内电记录，已经探索了多种潜在的可扩展方法，包括无源电极和有源场效应晶体管field-effect transistors，FET。无源电极，由于其固有大阻抗，而难以拾取阈下和低振幅细胞信号。有源场效应晶体管FET，具有最小接入阻抗和宽带宽，已经显示出用于细胞内感测或可缩放性的巨大前景。

电脉冲产生及其在细胞或细胞网络内传导，是电生理学electrophysiology的基石。然而，该领域进步受到传感精度和当前记录技术可扩展性的限制。近日，加州大学圣地亚哥分校Sheng Xu团队在Nature Nanotechnology上发文，报道了一个新型可扩展平台，能够准确记录电生细胞electrogenic cells的跨膜电位transmembrane potentials。该平台采用三维高性能场效应晶体管阵列，用于微创细胞接口，产生可靠的记录，并通过金标准膜片钳验证。利用场效应晶体管的高空间和时间分辨率，测得心肌细胞内信号传导速度为0.182ms−1，约为细胞间速度的5倍。还展示了心肌组织结构细胞内记录，并揭示了信号传导路径。该平台可以探测单细胞和细胞网的电行为，这对理解细胞生理学、病理学和细胞-细胞相互作用，具有广泛的意义。

图1：三维场效应晶体管field-effect transistors FET阵列的压缩屈曲。

图2：场效应晶体管FET电力学优化和表征。

图3：单个心肌细胞内记录和验证。

图4：二维10-FET阵列HL-1细胞培养物细胞内记录。

图5：128-FET阵列对新生大鼠心肌细胞微组织。

三维场效应晶体管FET结构（例如，尖端尺寸、间距和相对位置）、阵列尺寸、结构材料、表面涂层和部署方法，以及人工智能辅助信号处理，以上方面的提升，对于提高记录可靠性、质量和持续时间，是至关重要。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01040-w

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01040-w

本文译自Nature。

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