纳米人

哈佛化学系主任Charles M. Lieber课题组2019年研究成果集锦

纳米人编辑部

2020-02-03

NanoLabs编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是国际著名的顶尖纳米科学家、美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、美国国家医学院院士、中国科学院外籍院士，哈佛大学化学与化学生物系系主任、哈佛大学Mark Hyman讲席教授Charles M. Lieber教授。

Charles M. Lieber教授的研究主要集中在纳米材料的合成、纳米效应在纳米器件中的实现，以及纳米材料和器件在纳米电子学、可再生能源技术以及生物技术中的革命性应用。Charles M. Lieber素有纳米技术的鼻祖之称，开创了半导体纳米线研究，主要致力于超导、纳米线、纳米生物电子学和脑科学等交叉领域的研究，始终引领着纳米技术发展的潮流。2001-2010年全球顶尖一百科学家榜单中，Charles M. Lieber名列第一。

目前实验室主要研究内容如下：

1. 纳米材料

2. 纳米生物电子学

3. 脑科学

下面，我们简要总结了Lieber教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。

1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者文章，以online时间为准。

2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。

3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。

以下分为三个方面展开：

Part Ⅰ 神经探针

Part Ⅱ 可注射网状电子器件

Part Ⅲ 综述

Part Ⅰ 神经探针

1. Nature Nanotech.: 规模化制备纳米线晶体管探针

神经细胞电信号的测量是许多生物医药领域应用的基础，比如绘制大脑活动图谱和神经假肢技术。为了能够获得最高精度的测量和假肢的控制，电子器件需要穿透细胞膜，实现细胞内记录。目前最广泛应用的细胞内记录的方法是传统的膜片钳技术，其缺点在于：1）膜片钳电极的尺寸通常在微米级别，会对纳米尺度的细胞膜造成不可逆的伤害；2）能够同时测量的细胞数量非常有限。

为了解决上述这些问题，哈佛大学Charles M. Lieber课题组研究人员开发了一种规模化工艺，可同时制造出数千个可记录细胞内信号的纳米线晶体管探针阵列，并使用这些探针同时读取多个细胞内部的电信号。该研究解决了大规模制备自下而上的纳米尺度器件的难题，从而实现了多个细胞内电信号的同时测量。在后续工作中，研究人员将探索如何提高该方法测量的稳定性，从而最终推动高分辨率脑机接口的发展。

Zhao,Y. et al. Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes forintracellular recording.Nat. Nanotechnol., 2019.

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0478-y

2. Nature Materials：仿神经元的神经探针

哈佛大学Charles M.Lieber教授领导的团队报道了一种仿神经元设计的神经探针电子器件，这些神经探针试图模仿神经元的细胞结构特征和机械特性，使这些装置能够逃避典型的炎症过程。研究人员认为，在经常被测试的条件下，更小、更灵活的设备将减少神经炎症反应并改善脑驻留电子设备的功能记录性能。

Lieber的团队使用光刻技术开发了他们的“仿神经元电子器件”（NeuE），其总体厚度仅为~0.9μm，与有髓鞘的轴突相当。他们利用以前发表的插入方法，将这种神经探针成功地植入约80％的动物脑结构中。植入的NeuE装置的完整三维映射显示了NeuE装置和天然神经元之间的完美贴合。

Xiao Yang, Tao Zhou, Theodore J. Zwang, CharlesM. Lieber et al.Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials 2019.

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0292-9

Part Ⅱ 可注射网状电子器件

3. Nano Lett.: 纳米实现注射网状电子器件的直接接触接口

具有低弯曲刚度和高柔韧性的聚合物基电子器件，包括最近报道的大孔注射器可注射的网状电子器件，已经显示了对活动物脑中神经回路的长期研究的重大希望。在体内研究中开发这些高度柔性材料的一个中心挑战集中于高效的输入/输出（I/O）连接到具有高产量、低结合电阻和长期稳定性的外部接口的发展。

于此，哈佛大学CharlesM. Lieber和韩国高丽大学Hong-Gyu Park等人报道了一个新的范例，以应对可注射的网状电子器件的挑战，即利用高弹性的纳米厚度双边金属I/O焊盘，可以实现变形和与具有长期电气稳定性的高成品率标准接口电缆进行连接。直接接触接口方法为神经网络记录和调制的复用网状电子神经探针的可扩展长期连接铺平了道路，而且还可以用于促进生物研究和治疗应用中其他柔性电子器件的可扩展互连。

Jung Min Lee, Guosong Hong, et al. Nanoenabled Direct ContactInterfacing of Syringe-Injectable Mesh Electronics. Nano Letters 2019 19 (8),5818-5826

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03019

4. Nano Lett.: 可注射电子器件的一维和二维网状设计

针筒式可注射网状电子器件的独特结构和机械性能已实现了无缝组织整合，并且可以在一年内稳定记录相同神经元的活动。于此，哈佛大学Charles M. Lieber等人报道了一系列结构和机械网状电子设计变化的研究，研究使用比以前报道的至少小四倍的针进行注射，以最大程度地减少印迹在软物质和组织中的注射电子器件。新型超柔韧性二维（2D）和一维（1D）探针的特性表明，可通过内径小至100μm的针头以可减小的注射量，实现可重复注射的网状电子设计。

体外水凝胶和体内小鼠脑研究表明，超柔性2D和1D探针在通过直径减小的针头转移后，在注射后仍保持其结构完整性和构象。此外，对注射后网孔横截面变化的分析表明，随着针头直径的减小，组织变形和松弛的程度较小。通过直径较小的针头递送的网状电子探针进行合理设计的能力，将为基础和转化研究中的电子与组织和软物质的整合开辟新的机会。

Robert D. Viveros, Tao Zhou,Guosong Hong, Tian-Ming Fu, Hao-Yu Greg Lin, and Charles M. Lieber. AdvancedOne- and Two-Dimensional Mesh Designs for Injectable Electronics. Nano Letters2019 19 (6), 4180-4187

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01727

Part Ⅲ 综述

5.Chemical Reviews：纳米线生物电接口

生物系统已经进化出生物化学、电、机械和遗传网络，在不同的长度和时间尺度上发挥着重要的功能。高长径比的生物纳米线，如细菌菌毛和神经突，介导了这些网络内部和网络之间的许多相互作用和体内稳态。设计用来模仿生物纳米线结构的合成材料也可以具有类似的功能特性，利用这种结构-功能关系已经证明在设计生物界面方面是卓有成效的。鉴于独特的光学和电子特性以及高度的合成控制和多功能性，半导体纳米线是一类特别有前景的用于生物界面的合成纳米线。这些特征使得能够制造各种电子和光子纳米线器件，从而允许在生物分子水平至整个器官水平上形成明确的、功能性的生物电界面。

在该综述中，哈佛大学Charles M. Lieber和芝加哥大学田博之首先讨论与半导体纳米线的生物电界面的历史。接下来，重点介绍几种重要的内源性生物纳米线，并将它们作为一个框架来分类基于半导体纳米线的生物界面。然后，在此框架内，回顾了与半导体纳米线的生物电界面的基本原理，并对材料的选择和器件设计进行了评论，以形成跨越多个长度尺度的生物界面。最后，还讨论了未来使用半导体纳米线生物界面可能产生最大影响的领域。

Bozhi Tian and Charles M. Lieber. Nanowired Bioelectric Interfaces.Chemical Reviews 2019 119 (15), 9136-9152

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00795

6. Nature. Biotech.：在脑中使用的精准电子医学

哈佛医学院Shaun R.Patel 教授和哈佛大学Charles M. Lieber 教授合作，对用于神经系统的电子学研究进行了详细综述。这一系列的研究不仅在基础神经科学领域有着重要的研究价值，而且还有望能够实现在细胞水平上进行靶向治疗的目的。并且这些个性化的电子学治疗方法也能为神经退行性疾病和神经精神疾病提供新的治疗模式，甚至有望增强人类的认知能力，并为慢性神经疾病提供长期的有效治疗。

Shaun R. Patel ,Charles M. Lieber. Precision electronic medicine in the brain. Nature Biotechnology. 2019

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0234-8

7．Nature Rev. Neurosci.: 用于神经记录的新型电极技术

神经记录电极技术通过对单个单位的低频局部场电位振荡和高频动作电位进行细胞外检测，为神经科学做出了巨大贡献。尽管如此，仍存在一些长期的局限性，包括少功能性、有害的慢性免疫应答和长期记录不稳定性。在鼓励产生新的神经技术和制造高密度电子技术成熟的倡议的推动下，新的电极技术正在出现。

哈佛大学Charles M.Lieber等人综述了近年来发展起来的具有高度的空间整合性，长期稳定性和多功能性的神经记录电极技术。描述了这些新兴的神经技术如何能够以最小的神经环境破坏来达到阐明慢性大脑活动的最终目标，从而为未来的神经科学研究提供了前所未有的机会。

Hong, G., Lieber,C.M. Novel electrode technologies for neural recordings. Nat Rev Neurosci 20,330–345 (2019)

https://doi.org/10.1038/s41583-019-0140-6

8. Nano Today：纳米线探针可驱动高分辨率脑机接口

电生理领域的一个主要挑战是如何实现组织中发电细胞的复杂网络的细胞内记录。细胞内记录的历史金标准-膜片钳电极，在其侵入性和在大规模并行记录中难以使用方面确实存在局限性。基于纳米线的生物电子学的最新进展可实现微创的细胞内界面和网络水平的高度可扩展并行记录。哈佛大学Charles M. Lieber等人表明：结合体内记录平台，这些进展可以实现对大脑动力学的研究，并推动以前所未有的分辨率和精度推动新的脑机接口的发展。

Zhang A, Zhao Y, YouSS, Lieber CM. Nanowire probes could drive high-resolution brain-machineinterfaces. Nano Today. 2019:100821.

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.100821

2. 《"读脑术"? 哈佛大学C. M. Lieber规模化制备纳米线晶体管探针》

3. 《“心灵感应”有望实现？哈佛大学C. M. Lieber团队发明仿神经元的神经探针！》

Charles M. Lieber教授简介

Charles M. Lieber教授，一直是纳米科学和纳米技术研究的先驱，同时也是生物电子界面研究的先行者。Lieber教授发表了400多篇论文和拥有 50多项专利。闲暇时，Lieber教授积极从事纳米技术的商业化工作，于2001年成立了纳米技术公司Nanosys，并于2007年成立了新的纳米传感器公司Vista Therapeutics。

Lieber教授是Nano Letters的共同编辑，并在许多科学和技术期刊的编辑和顾问委员会中任职。Lieber教授的研究成果获得了多个奖项的认可，其中包括韦尔奇化学奖（2019年）、耶鲁大学John Gamble Kirkwood奖（2018）、美国国立卫生研究院主任先锋奖（2017年和2008年）、Wolf化学奖（2012）等。

注：以上简介及文中海报整理自网络及CharlesM. Lieber教授课题组网站

课题组网站：http://cml.harvard.edu/

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