近日，清华大学电子工程系盛兴课题组与合作者研究发现，使用柔性薄膜单晶硅二极管与神经系统集成，在光照情况下可产生极化电场，对离体和在体的神经信号进行选择性的无线激活和抑制。同时，薄膜硅结构可在生物体内安全降解，具备良好的生物相容性。这种生物友好、非遗传学、可无线远程操作、实现激活-抑制双向光电调控的植入式器件，可为基础神经科学研究和临床应用提供有效的技术支撑。
硅基半导体是信息产业的基石，pn二极管结构作为电子工程的基本单元，被广泛应用于微电子芯片、光电探测与成像、光伏电池等系统中。在生物系统中，当硅基二极管与神经系统的基本单元——神经元进行结合时，其光电特性将如何影响神经系统的活动与功能？研究团队发现，柔性薄膜硅基二极管结构与神经组织集成时，其在光照条件下，在半导体-溶液界面处产生极化的光生电场，不需引入光遗传学等基因编码工具，即可选择性的激活-抑制神经信号的活动。
图1.可降解硅薄膜二极管产生光电信号激活和抑制神经活动（示意图）
在离体实验中，通过在极性不同的薄膜硅二极管结构（p+n型和n+p型）表面培养背根神经元（dorsal root ganglion, DRG），硅器件的极化光生电场可相应地抬升或降低细胞的膜电位，引起神经元的去极化或超极化，进一步激活或者抑制动作电位的发放，并引起钙活动信号的上升或者下降。
图2.硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制离体神经元活动
通过微纳工艺制备的图案化硅基薄膜器件，可共形贴附在活体生物组织表面，进行在体生物神经信号的远程光电调控。把硅基二极管薄膜包覆于小鼠的坐骨神经节，通过极性依赖的光生电场，可选择性地增强或者减弱小鼠后肢的运动幅度。把硅基二极管薄膜贴附在小鼠大脑皮层上，产生的光生电场也可相应地激活或者抑制皮层的电活动。
图3. 硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制在体神经：（a）调控坐骨神经的激活和抑制活动和（b）调控大脑皮层内神经区域的激活和抑制活动
另外，硅基半导体还具备良好的生物安全性和可降解特性，把硅薄膜器件与可降解的衬底结合，将其包覆在动物坐骨神经或者贴附在大脑皮层上，通过长期实验记录，均可观察到硅薄膜在生物体内的自然溶解和消失过程。这种可降解特性，可避免引入二次手术取出植入物带来的风险，为特定的医疗应用展示了潜在的前景。
图4. 坐骨神经和大脑皮层上硅薄膜的生物降解性测试
该研究成果在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）发表，题为“可降解薄膜硅基二极管光电激活和抑制神经活动”（Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities）。
本文的共同通讯作者为清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴副教授，中国科学院深圳先进技术研究院、深港脑科学创新研究院李骁健研究员，北京理工大学汪世溶副研究员。共同第一作者为清华大学原博士后黄云翔、北京生命科学研究所博士后崔玉婷、中国科学院深圳先进技术研究院技术员邓汉杰。合作者来自清华大学电子系、材料学院、生命科学学院、中国科学院深圳先进技术研究院、北京理工大学、北京脑科学与类脑研究中心等单位。该研究获得了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、北京市基金、科技部等项目支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00931-0
供稿：电子系
题图设计：曾仪
编辑：李华山
审核：吕婷
2022年09月06日 15:13:53
