近日，胡宁课题组在细胞电生理学限制取得进展，效果发表在外洋顶级期刊Nano Letters，标题为“Scalable and Robust Hollow Nanopillar Electrode for Enhanced Intracellular Action Potential Recording”。该论文第一作家为博士臆测生方佳如，胡宁臆测员为通信作家，刘川教育、杨涛博士、李颖副教育为共同通信作家。

电生理学是电欣喜细胞的一种独有性记号，不错进行疾病旁观或药物评估。配置潜在的纪录新器具是在细胞水平上准确探伤细胞内电行径，以了解腹黑疾病的潜在机制和探索先进的调治政策的关键。近十年来，垂直纳米电极阵列告成地在电欣喜细胞过火网罗中兑现了高质料的细胞内电生理臆测。然则，使用低资本纳米结构进行高告成率和高质料、长久的细胞内纪录仍然是一个很是大的挑战。因此，有必要配置一种新政策来提高电信号纪录的质料。

在本使命中，咱们筹备了一种可推广且沉稳的空腹纳米柱矩阵，以臆测精准几何革新对细胞内纪录的影。应用便捷的模板合成和微加工时刻，制备出高度可伸缩的垂直空腹纳米柱电极。空腹纳米结构不错指挥细胞膜既包裹在纳米结构的壁上，又隆起在纳米结构的孔中，以增强细胞-电极耦合。此外，咱们通过革新纳米柱的高度来改善细胞-电极纳米界面，以兑现高质料和永劫刻的细胞内动作电位纪录，展示了一种兑现高质料细胞内电生理臆测的政策。

图一. 本使命所筹备的垂直空腹纳米柱电极。

咱们通过模板合成和微加工工艺制备了可伸缩的空腹纳米柱电极，如图二所示。率先通过原子层千里积在多孔聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜名义千里积的Al2O3层。然后用电感耦合等离子体响应离子刻蚀对Al2O3层进行各向异性刻蚀，然后用氧等离子体刻蚀酿成中空纳米柱。随后，使用圭臬光刻、Ti/Au (10 nm/50 nm)千里积和莳植步伐，将包括电极、导线和垫片在内的导电层进行图案化。为了减少引线的电容电流透露，5 μm厚的SU-8手脚绝缘层，字据SU-8图案，直径为30 μm的导电纳米柱电极被界说为有用纪录位点。随后对器件进行封装、焊合以匹配生物传感革新集成系统，该系统不错引申电生理信号纪录和细胞电穿孔。

图二. (A)垂直空腹纳米柱电极的制作工艺；(B) 空腹纳米柱电极器件图；(C)生物传感革新集成系统。

咱们应用空腹纳米柱电极对原代大鼠心肌细胞进行细胞内纪录。空腹纳米柱具有可伸缩的纳米柱革新，制备高度精0.5 ~ 1.5 μm的空腹纳米柱器件。为了细目纳米柱的革新性能，咱们使用了平面器件和三种空腹纳米柱高度的空腹纳米柱器件来进行径作电位纪录。各样型器件所纪录的细胞内动作电位具有雷同的细胞内谱，推崇出显着的去极化、复极化和静息相。为了增强细胞内纪录的促进作用，咱们进行了细胞外和细胞内纪录的统计比较。咱们从振幅、信噪比和细胞内振幅漫衍方面评估了平面器件和三种空腹纳米柱器件的电生理纪录质料。这些器件的细胞外纪录浮现出低质料的电生理信号，平均最大振幅低于0.14 mV，而空腹纳米柱器件稍稍改善了信号质。电穿孔后，空腹纳米柱器件兑现了高质料的细胞内纪录，信噪比朝上34 dB。平面器件和0.5、1.0、1.5 μm中空纳米柱器件纪录的心肌细胞内最大平均振幅别离为0.14±0.11、0.38±0.32、0.43±0.28、1.07±1.01 mV，远高于细胞外纪录。不同高度的空腹纳米柱引起不同的细胞-电极耦合情景和电穿孔效应。从统计测量闭幕来看，与其他器件比拟，1.5 μm中空纳米柱电穿孔安设兑现了高质料的细胞内纪录。上述数据标明，空腹纳米柱器件不错提供高电阻的膜密封，以提高信号的质料，兑现平直拜访细胞里面，并产生可靠的细胞内电位纪录。

图三. 平面器件与不同高度空腹纳米柱器件的电信号纪录对比。

电穿孔后，平面器件纪录的细胞内动作电位马上衰减，并在约100 s内呈现出细胞外信号，而空腹纳米柱器件纪录的信号在此时间保捏了细胞内的空洞。0.5和1.0 μm中空纳米柱安设纪录到的细胞内动作电位也在约200 s内衰减到50 μV，而1.5 μm中空纳米柱安设纪录到的动作电位在这段时刻内仍然保捏在1.5 mV。与平面器件(109 s)和0.5 μm (220 s)和1.0 μm中空纳米柱器件(279 s)的细胞内短通谈比拟，1.5 μm中空纳米柱器件具有朝上1个数目级的细胞内长通谈，以致朝上100分钟(~ 6000 s)，动作电位振幅马上达到最大值(1.51 mV)。随后，纳米孔缓缓从头阻滞，信号衰减至最大振幅的90% (250 s)、70% (1105 s)、50% (2090 s)、30% (3821 s)、10% (6000 s)，衰减慢率周边。闭幕标明，1.5 μm中空纳米柱电极不错权贵延迟细胞内纪录时刻，提供比平面电极多10倍以上的细胞内拜访。字据表征闭幕，摄取1.5 μm中空纳米柱器件手脚后续药物筛选的最好安设。

图四. 通过中空纳米柱电极可延迟细胞内纪录时刻。

此外，这种高通量、微创的空腹纳米柱器件不错允许一语气几天纪录心肌细胞内情况，并兑现离子通谈阻断药物评价。如图五所示，培养的细胞在每次电穿孔前后一语气3天的典型电生理纪录。电穿孔后，纪录动作电位的花式，振幅和披发频率在一语气3天是雷同的，这标明该电极电穿孔具有生物相容性。此外，咱们在2小时内通过空腹纳米柱器件进行一语气3次电穿孔进行细胞内纪录，细胞活力的电生理情景很少受到影响。这标明了基于空腹纳米柱电极的电穿孔时刻不错对心肌细胞进行屡次、安全、高效的细胞内纪录，有助于改善长久的慢性药物效应。空腹纳米柱电极电穿孔后的高度细心纪录也使咱们大略评估离子通谈药物对心肌细胞动作电位的影响。咱们通过测试维拉帕米(一种镌汰动作电位的Ca2+通谈龙套剂)来展示心肌细胞电生理模子手脚潜在药物筛选应用的例子。在不使用药物和使用维拉帕米的情况下，心肌细胞被电穿孔以纪录动作电位。通过与对照信号(玄色陈迹)比拟，100和200 nM维拉帕米管制的心肌细胞放电率斥责，动作电位时程(APD)加多。对振幅、披发速度和APD50的影响跟着浓度的加多而增强。基于对典型药物的准确筛选闭幕，咱们的空腹纳米柱器件和系统的细胞内纪录被讲授是一个有用的器具，不错评估药物对心肌细胞电生理的轻微影响。

图五. 一语气数日多个细胞同步多点胞内动作电位纪录及离子通谈阻断药物对心肌细胞的影响。

该臆测使命赢得国度当然科学基金（62171483， 82061148011）资助。

Jiaru Fang， Dongxin Xu， Hao Wang， Jin Wu， Ying Li*， Tao Yang*， Chuan Liu*， Ning Hu*， Scalable and Robust Hollow Nanopillar Electrode for Enhanced Intracellular Action Potential Recording， Nano Letters， 2023， 23， 1， 243–251.

论文贯穿：https://pubs.acs.org/10.1021/acs.nanolett.2c04222