隨著(zhù)半導體工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們關(guān)于無(wú)機半導體材料物理化學(xué)性質(zhì)的知識已經(jīng)相當豐富，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)的廣泛應用外，許多無(wú)機半導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)和醫學(xué)領(lǐng)域的應用。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)效應管測量局部生物電信號，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)光現象的生物熒光成像。除了可以接受生物信號來(lái)實(shí)現監測和傳感外，近年的研究表明，無(wú)機半導體材料還可以向生物體系輸入信號（電學(xué)，熱學(xué)，力學(xué)等）來(lái)調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)機半導體材料（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)調制技術(shù)。
【成果簡(jiǎn)介】
該領(lǐng)域前期的研究主要著(zhù)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，以及合理設計跨越界面的信號或能量流動(dòng)的模式才是實(shí)現高效的功能性生物界面的基礎。近日，在國際著(zhù)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，系統得歸納了現有的無(wú)機半導體材料生物界面的特性，以及其在生物物理和生物醫學(xué)方面的應用。在本文中，作者們首先討論了半導體物理的基礎知識和半導體器件的工作原理，并且著(zhù)重強調了其在生理條件下相比于傳統固態(tài)條件下工作特點(diǎn)的不同之處。隨后，作者們總結了各種常見(jiàn)的無(wú)機半導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傳導機理，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，并且分別給出了對應的事例分析。最后，作者們提議未來(lái)的研究應當對材料的生物相容性進(jìn)行系統的定量分析，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。
【圖文導讀】
圖1：一些將無(wú)機半導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)機半導體和生理液體界面的材料物理總結。
（a）直接和間接帶隙半導體的能帶結構區別。（b）常見(jiàn)半導體價(jià)帶導帶相對于真空能級和生理條件下氧化還原電對的位置。（c）半導體和電解質(zhì)界面的能帶彎曲現象以及受其影響的光生載流子的流動(dòng)。
圖3：常見(jiàn)無(wú)機半導體器件的工作原理。
（a）場(chǎng)效應管（b）pn結（c）光伏器件（d）發(fā)光二極管。
圖4：各種維度的半導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記細胞內主動(dòng)運輸過(guò)程。（b）一維納米線(xiàn)可以用于細胞內電生理記錄和促進(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(guān)結構可以用來(lái)實(shí)現多功能細胞探針和類(lèi)組織檢測網(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，光電檢測，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傳導模式。
（a）①場(chǎng)效應管可以用來(lái)檢測局部分析物濃度和細胞膜電位②光電二極管可以用來(lái)檢測生物發(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)刺激細胞行為④發(fā)光二極管結合光遺傳技術(shù)可以用來(lái)直接刺激細胞⑤載流子符合產(chǎn)生的熱能可以用于改變細胞膜電容以實(shí)現細胞刺激⑥納米尺度的無(wú)機半導體材料可以被細胞內吞，從而實(shí)現細胞內功能界面。（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）過(guò)程的區別。
【小結和展望】
無(wú)機半導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)研究和生物醫學(xué)應用中。本文詳細得討論了無(wú)機半導體材料器件的合成加工和工作原理，深入得總結了跨越生物界面的各種信號傳遞機理，為此后的研究打下了堅實(shí)的基礎。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構和功能信息。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遇。舉例來(lái)說(shuō)，結合基因工程和生物礦化過(guò)程或許能夠定點(diǎn)定向得在特定細胞內腔室處合成具有特定形貌的納米半導體材料用于高精度生物檢測或者高效能生物調控。最后，除了傳統的電學(xué)活性的生物體系外，還有許多新的對象可以用無(wú)機半導體材料和器件來(lái)進(jìn)行研究，包括細胞骨架的結構和基于運動(dòng)蛋白的主動(dòng)運輸過(guò)程，微生物群落內通訊，以及胚胎發(fā)育過(guò)程等。