NanoLabs編輯部對(duì)2019年國(guó)內(nèi)外重要科研團(tuán)隊(duì)的代表性重要成果進(jìn)行了梳理，今天，我們要介紹的是國(guó)際著名的頂尖納米科學(xué)家、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)藝術(shù)科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士，哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物系系主任、哈佛大學(xué)Mark Hyman講席教授Charles M. Lieber教授。
Charles M. Lieber教授的研究主要集中在納米材料的合成、納米效應(yīng)在納米器件中的實(shí)現(xiàn)，以及納米材料和器件在納米電子學(xué)、可再生能源技術(shù)以及生物技術(shù)中的革命性應(yīng)用。Charles M. Lieber素有納米技術(shù)的鼻祖之稱，開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體納米線研究，主要致力于超導(dǎo)、納米線、納米生物電子學(xué)和腦科學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究，始終引領(lǐng)著納米技術(shù)發(fā)展的潮流。2001-2010年全球頂尖一百科學(xué)家榜單中，Charles M. Lieber名列第一。
目前實(shí)驗(yàn)室主要研究?jī)?nèi)容如下：下面，我們簡(jiǎn)要總結(jié)了Lieber教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學(xué)習(xí)。1）由于相關(guān)論文數(shù)量較多，本文僅限于通訊作者文章，以online時(shí)間為準(zhǔn)。2）由于學(xué)術(shù)有限，所選文章及其表述如有不當(dāng)，敬請(qǐng)批評(píng)指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入編號(hào)，僅以發(fā)表截圖展示。
1. Nature Nanotech.: 規(guī)模化制備納米線晶體管探針
神經(jīng)細(xì)胞電信號(hào)的測(cè)量是許多生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)，比如繪制大腦活動(dòng)圖譜和神經(jīng)假肢技術(shù)。為了能夠獲得最高精度的測(cè)量和假肢的控制，電子器件需要穿透細(xì)胞膜，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)記錄。目前最廣泛應(yīng)用的細(xì)胞內(nèi)記錄的方法是傳統(tǒng)的膜片鉗技術(shù)，其缺點(diǎn)在于：1）膜片鉗電極的尺寸通常在微米級(jí)別，會(huì)對(duì)納米尺度的細(xì)胞膜造成不可逆的傷害；2）能夠同時(shí)測(cè)量的細(xì)胞數(shù)量非常有限。為了解決上述這些問(wèn)題，哈佛大學(xué)Charles M. Lieber課題組研究人員開(kāi)發(fā)了一種規(guī)模化工藝，可同時(shí)制造出數(shù)千個(gè)可記錄細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的納米線晶體管探針陣列，并使用這些探針同時(shí)讀取多個(gè)細(xì)胞內(nèi)部的電信號(hào)。該研究解決了大規(guī)模制備自下而上的納米尺度器件的難題，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)細(xì)胞內(nèi)電信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。在后續(xù)工作中，研究人員將探索如何提高該方法測(cè)量的穩(wěn)定性，從而最終推動(dòng)高分辨率腦機(jī)接口的發(fā)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：仿神經(jīng)元的神經(jīng)探針
哈佛大學(xué)Charles M.Lieber教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種仿神經(jīng)元設(shè)計(jì)的神經(jīng)探針電子器件，這些神經(jīng)探針試圖模仿神經(jīng)元的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械特性，使這些裝置能夠逃避典型的炎癥過(guò)程。研究人員認(rèn)為，在經(jīng)常被測(cè)試的條件下，更小、更靈活的設(shè)備將減少神經(jīng)炎癥反應(yīng)并改善腦駐留電子設(shè)備的功能記錄性能。Lieber的團(tuán)隊(duì)使用光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)了他們的“仿神經(jīng)元電子器件”（NeuE），其總體厚度僅為~0.9μm，與有髓鞘的軸突相當(dāng)。他們利用以前發(fā)表的插入方法，將這種神經(jīng)探針成功地植入約80％的動(dòng)物腦結(jié)構(gòu)中。植入的NeuE裝置的完整三維映射顯示了NeuE裝置和天然神經(jīng)元之間的完美貼合。
Xiao Yang, Tao Zhou, Theodore J. Zwang, CharlesM. Lieber et al.Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials 2019.https://www.nature.com/articles/s41563-019-0292-93. Nano Lett.: 納米實(shí)現(xiàn)注射網(wǎng)狀電子器件的直接接觸接口具有低彎曲剛度和高柔韌性的聚合物基電子器件，包括最近報(bào)道的大孔注射器可注射的網(wǎng)狀電子器件，已經(jīng)顯示了對(duì)活動(dòng)物腦中神經(jīng)回路的長(zhǎng)期研究的重大希望。在體內(nèi)研究中開(kāi)發(fā)這些高度柔性材料的一個(gè)中心挑戰(zhàn)集中于高效的輸入/輸出（I/O）連接到具有高產(chǎn)量、低結(jié)合電阻和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的外部接口的發(fā)展。于此，哈佛大學(xué)CharlesM. Lieber和韓國(guó)高麗大學(xué)Hong-Gyu Park等人報(bào)道了一個(gè)新的范例，以應(yīng)對(duì)可注射的網(wǎng)狀電子器件的挑戰(zhàn)，即利用高彈性的納米厚度雙邊金屬I/O焊盤，可以實(shí)現(xiàn)變形和與具有長(zhǎng)期電氣穩(wěn)定性的高成品率標(biāo)準(zhǔn)接口電纜進(jìn)行連接。直接接觸接口方法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄和調(diào)制的復(fù)用網(wǎng)狀電子神經(jīng)探針的可擴(kuò)展長(zhǎng)期連接鋪平了道路，而且還可以用于促進(jìn)生物研究和治療應(yīng)用中其他柔性電子器件的可擴(kuò)展互連。
Jung Min Lee, Guosong Hong, et al. Nanoenabled Direct ContactInterfacing of Syringe-Injectable Mesh Electronics. Nano Letters 2019 19 (8),5818-5826https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03019
4. Nano Lett.: 可注射電子器件的一維和二維網(wǎng)狀設(shè)計(jì)
針筒式可注射網(wǎng)狀電子器件的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能已實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫組織整合，并且可以在一年內(nèi)穩(wěn)定記錄相同神經(jīng)元的活動(dòng)。于此，哈佛大學(xué)Charles M. Lieber等人報(bào)道了一系列結(jié)構(gòu)和機(jī)械網(wǎng)狀電子設(shè)計(jì)變化的研究，研究使用比以前報(bào)道的至少小四倍的針進(jìn)行注射，以最大程度地減少印跡在軟物質(zhì)和組織中的注射電子器件。新型超柔韌性二維（2D）和一維（1D）探針的特性表明，可通過(guò)內(nèi)徑小至100μm的針頭以可減小的注射量，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)注射的網(wǎng)狀電子設(shè)計(jì)。體外水凝膠和體內(nèi)小鼠腦研究表明，超柔性2D和1D探針在通過(guò)直徑減小的針頭轉(zhuǎn)移后，在注射后仍保持其結(jié)構(gòu)完整性和構(gòu)象。此外，對(duì)注射后網(wǎng)孔橫截面變化的分析表明，隨著針頭直徑的減小，組織變形和松弛的程度較小。通過(guò)直徑較小的針頭遞送的網(wǎng)狀電子探針進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的能力，將為基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究中的電子與組織和軟物質(zhì)的整合開(kāi)辟新的機(jī)會(huì)。
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), 4180-4187https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01727
5.Chemical Reviews：納米線生物電接口
生物系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化出生物化學(xué)、電、機(jī)械和遺傳網(wǎng)絡(luò)，在不同的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上發(fā)揮著重要的功能。高長(zhǎng)徑比的生物納米線，如細(xì)菌菌毛和神經(jīng)突，介導(dǎo)了這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和網(wǎng)絡(luò)之間的許多相互作用和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。設(shè)計(jì)用來(lái)模仿生物納米線結(jié)構(gòu)的合成材料也可以具有類似的功能特性，利用這種結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系已經(jīng)證明在設(shè)計(jì)生物界面方面是卓有成效的。鑒于獨(dú)特的光學(xué)和電子特性以及高度的合成控制和多功能性，半導(dǎo)體納米線是一類特別有前景的用于生物界面的合成納米線。這些特征使得能夠制造各種電子和光子納米線器件，從而允許在生物分子水平至整個(gè)器官水平上形成明確的、功能性的生物電界面。
在該綜述中，哈佛大學(xué)Charles M. Lieber和芝加哥大學(xué)田博之首先討論與半導(dǎo)體納米線的生物電界面的歷史。接下來(lái)，重點(diǎn)介紹幾種重要的內(nèi)源性生物納米線，并將它們作為一個(gè)框架來(lái)分類基于半導(dǎo)體納米線的生物界面。然后，在此框架內(nèi)，回顧了與半導(dǎo)體納米線的生物電界面的基本原理，并對(duì)材料的選擇和器件設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)論，以形成跨越多個(gè)長(zhǎng)度尺度的生物界面。最后，還討論了未來(lái)使用半導(dǎo)體納米線生物界面可能產(chǎn)生最大影響的領(lǐng)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.：在腦中使用的精準(zhǔn)電子醫(yī)學(xué)
哈佛醫(yī)學(xué)院Shaun R.Patel?教授和哈佛大學(xué)Charles M. Lieber?教授合作，對(duì)用于神經(jīng)系統(tǒng)的電子學(xué)研究進(jìn)行了詳細(xì)綜述。這一系列的研究不僅在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域有著重要的研究?jī)r(jià)值，而且還有望能夠?qū)崿F(xiàn)在細(xì)胞水平上進(jìn)行靶向治療的目的。并且這些個(gè)性化的電子學(xué)治療方法也能為神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病提供新的治療模式，甚至有望增強(qiáng)人類的認(rèn)知能力，并為慢性神經(jīng)疾病提供長(zhǎng)期的有效治療。
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.: 用于神經(jīng)記錄的新型電極技術(shù)
神經(jīng)記錄電極技術(shù)通過(guò)對(duì)單個(gè)單位的低頻局部場(chǎng)電位振蕩和高頻動(dòng)作電位進(jìn)行細(xì)胞外檢測(cè)，為神經(jīng)科學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。盡管如此，仍存在一些長(zhǎng)期的局限性，包括少功能性、有害的慢性免疫應(yīng)答和長(zhǎng)期記錄不穩(wěn)定性。在鼓勵(lì)產(chǎn)生新的神經(jīng)技術(shù)和制造高密度電子技術(shù)成熟的倡議的推動(dòng)下，新的電極技術(shù)正在出現(xiàn)。
哈佛大學(xué)Charles M.Lieber等人綜述了近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的具有高度的空間整合性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和多功能性的神經(jīng)記錄電極技術(shù)。描述了這些新興的神經(jīng)技術(shù)如何能夠以最小的神經(jīng)環(huán)境破壞來(lái)達(dá)到闡明慢性大腦活動(dòng)的最終目標(biāo)，從而為未來(lái)的神經(jīng)科學(xué)研究提供了前所未有的機(jī)會(huì)。
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：納米線探針可驅(qū)動(dòng)高分辨率腦機(jī)接口
電生理領(lǐng)域的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)組織中發(fā)電細(xì)胞的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞內(nèi)記錄。細(xì)胞內(nèi)記錄的歷史金標(biāo)準(zhǔn)-膜片鉗電極，在其侵入性和在大規(guī)模并行記錄中難以使用方面確實(shí)存在局限性。基于納米線的生物電子學(xué)的最新進(jìn)展可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)的細(xì)胞內(nèi)界面和網(wǎng)絡(luò)水平的高度可擴(kuò)展并行記錄。哈佛大學(xué)Charles M. Lieber等人表明：結(jié)合體內(nèi)記錄平臺(tái)，這些進(jìn)展可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦動(dòng)力學(xué)的研究，并推動(dòng)以前所未有的分辨率和精度推動(dòng)新的腦機(jī)接口的發(fā)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
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Charles M. Lieber教授簡(jiǎn)介
Charles M. Lieber教授，一直是納米科學(xué)和納米技術(shù)研究的先驅(qū)，同時(shí)也是生物電子界面研究的先行者。Lieber教授發(fā)表了400多篇論文和擁有 50多項(xiàng)專利。閑暇時(shí)，Lieber教授積極從事納米技術(shù)的商業(yè)化工作，于2001年成立了納米技術(shù)公司Nanosys，并于2007年成立了新的納米傳感器公司Vista Therapeutics。Lieber教授是Nano Letters的共同編輯，并在許多科學(xué)和技術(shù)期刊的編輯和顧問(wèn)委員會(huì)中任職。Lieber教授的研究成果獲得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的認(rèn)可，其中包括韋爾奇化學(xué)獎(jiǎng)（2019年）、耶魯大學(xué)John Gamble Kirkwood獎(jiǎng)（2018）、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院主任先鋒獎(jiǎng)（2017年和2008年）、Wolf化學(xué)獎(jiǎng)（2012）等。注：以上簡(jiǎn)介及文中海報(bào)整理自網(wǎng)絡(luò)及CharlesM. Lieber教授課題組網(wǎng)站課題組網(wǎng)站：http://cml.harvard.edu/
