植入式生物电子器件柔软“贴身”不怕水

◎卢力媛 本报记者 王 春

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院合作，利用蚕丝蛋白材料的超收缩特性与键合工艺，实现了器件的水触发可控几何重构，开发出一种具有高度生物适配性的植入式生物电子器件。相关研究论文发表于《先进材料》。

克服原材料局限性

蚕丝蛋白由天然蚕茧提炼加工得来，具有无生物毒性、不引起排异反应、体内可降解、强韧等特点，常被应用于研制各种生物医学植入物，如人工心脏瓣膜、骨科接骨板钉等。不过，使用蚕丝蛋白等聚合物制备生物电子器件时，相关研究仍面临一定挑战。

论文通讯作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员柳克银告诉记者，蚕丝蛋白薄膜常用于制作植入式生物电子器件的衬底。这种薄膜遇水后会吸水膨胀，使得器件表面的导电结构被撕裂，致使电子器件无法在人体内长期工作。此外，用蚕丝蛋白制作的柔性电子器件往往通过被动形变的方式与人体的组织器官相贴合。这意味着这些器件的贴附效果有限，影响治疗效果。

针对上述难题，科研团队开发出了一种基于蚕丝蛋白材料的植入式生物电子器件。

“大多数柔性物质遇水会膨胀，但蜘蛛丝例外，遇水反而收缩，这种超收缩性是蜘蛛网遇水不破的奥秘。”柳克银告诉记者，受此启发，研究团队调整了蚕丝蛋白的分子结构，使其具备超收缩特性，不会遇水膨胀断裂。

为了让蚕丝蛋白膜具备更好的贴附效果，研究团队利用多层蚕丝蛋白膜键合工艺，设计开发出形变可控的水触发几何重构蛋白薄膜。

“人体的器官和组织有各种形状，通过叠加可收缩、可扩张的蚕丝蛋白膜，可以使植入器件的形态产生变化。”柳克银指着改变为风车形状的蚕丝蛋白膜向记者解释。研究团队利用微纳米加工技术等方法，最终实现了蚕丝蛋白植入式器件与目标组织或器官的适配功能。

具有高度适配性

近年来，以植入式器件为基础的神经接口技术常被用于多种神经系统疾病的缓解和治疗。然而，传统的植入式器件面临器件植入创伤大、与人体适配性不高等问题。

研究团队不断创新，将蚕丝“跨界”应用于神经接口，解决了神经电极在植入时容易造成较大创伤的问题。为进一步提高蚕丝蛋白神经接口与神经组织的适配性，团队基于双层可卷曲蚕丝蛋白膜及微机电系统工艺，开发出一种用于外周神经的螺旋电极。

“血管和神经组织是柔软可弯折的，传统的神经电极很难适配。”柳克银说，受到爬藤植物启发，研究团队制作的螺旋电极可以像藤蔓一样“爬”上血管，能够跟随血管弯折而不造成影响，从而实现高度适配。

据了解，这种螺旋电极的电生理刺激功能和中长期在体生物相容性已得到初步验证。这也证明，多层几何可重构蛋白膜在生物电子器件制备领域有很广泛的应用前景。

柳克银说：“在进一步集成可控给药、电刺激等功能后，这类植入式电子生物器件有望应用于外周神经修复、脑皮层电生理信号记录以及肠道疾病治疗等方面。”

来源： 科技日报

上海富衡 电子显微镜在生物学研究中的应用

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，而对生物的微观结构和功能的深入了解是揭示生命奥秘的关键。电子显微镜以其高分辨率和强大的成像能力，为生物学研究提供了有力的技术支持，使我们能够在纳米尺度下观察生物样本，极大地推动了生物学领域的发展。

一、电子显微镜的工作原理

电子显微镜主要包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两种类型。TEM 是利用电子束穿透超薄的生物样本，通过电磁透镜聚焦和成像，能够观察样本的内部超微结构。SEM 则是通过电子束在样本表面扫描，激发二次电子等信号，从而获得样本表面的三维形貌和结构信息。

二、在生物学研究中的应用

（一）细胞结构与超微结构研究

细胞是生物体的基本结构和功能单位，电子显微镜可以清晰地显示细胞的各种超微结构。例如，通过 TEM 可以观察到细胞膜、细胞器（如线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等）的形态、大小、分布和内部结构。这些结构的精细观察有助于深入了解细胞的物质运输、能量代谢、信号转导等生命活动过程。例如，在研究线粒体的结构时，电子显微镜揭示了其由外膜、内膜、嵴和基质等部分组成，嵴的存在大大增加了内膜的表面积，为有氧呼吸的进行提供了更多的酶附着位点，从而为理解细胞的能量供应机制提供了重要依据。

（二）生物大分子的观察

生物大分子如蛋白质、核酸等是生命活动的重要物质基础。虽然电子显微镜的分辨率还不足以直接观察单个生物大分子的原子结构，但可以通过特殊的制样技术和成像方法，对生物大分子的聚集态、复合物等进行研究。例如，利用负染技术、冷冻电镜技术等，可以观察到蛋白质的三维结构和复合物的组成与结构。冷冻电镜技术的发展使得解析生物大分子的高分辨率结构成为可能，如 2013 年，利用冷冻电镜技术首次解析出了人源剪接体的近原子分辨率结构，为深入理解基因表达的调控机制提供了关键信息。

（三）病毒学研究

病毒是一类非细胞形态的微小生物，其大小通常在几十到几百纳米之间。电子显微镜是研究病毒形态、结构和生活周期的重要工具。通过 TEM 可以观察到病毒的形态、大小、表面结构和内部核酸、蛋白等成分的分布。例如，在新冠疫情期间，电子显微镜在新冠病毒的形态学研究中发挥了重要作用，为病毒的鉴定、传播途径的研究以及疫苗和药物的研发提供了重要依据。

（四）发育生物学研究

在生物体的发育过程中，细胞的分化、组织和器官的形成等都涉及到细胞形态和结构的变化。电子显微镜可以对发育过程中的胚胎、组织和细胞进行观察，为研究发育的分子机制提供直观的证据。例如，通过对果蝇胚胎发育过程的电子显微镜观察，发现了细胞凋亡、细胞迁移等现象，为理解发育的调控机制提供了重要线索。

四、结论

电子显微镜作为现代生物学研究的重要工具，为我们打开了微观世界的大门，使我们能够深入了解生物的细胞结构、生物大分子、病毒以及发育过程等。随着电子显微镜技术的不断发展和创新，其分辨率和功能将不断提高，为生物学研究提供更加强有力的支持，推动生命科学领域不断取得新的突破和进展。

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