Angew研究论文|弗吉尼亚大学B. Jill Venton 教授团队:3D打印碳纳米针电极助力脑科学研究

文摘   2024-10-12 17:15   美国  




Part.01

研究背景


近年来,神经科学的发展极大得益于植入式微电极的应用,它们能够在特定的脑区域实现神经递质的实时检测。传统的电极通常由直径约为7微米的碳纤维制成,适用于较大的脑区。然而,随着研究对小型脑区和突触的精确检测需求不断增加,特别是在果蝇等小型生物中,现有电极已不能满足要求。例如,果蝇的脑区小于10微米,因此需要电极尺寸达到亚微米级,以便在小范围内检测单个突触泡的神经信号。此外,电极的形状也需要有细长且直的针尖,以便易于植入而不损伤组织。碳材料因其优良的生物相容性、广阔的电化学窗口和出色的电化学性能,一直是神经递质检测的理想选择。然而,现有的碳电极制作方法难以有效制造长而细的碳针结构。因此,新的制造技术亟需发展,以满足日益复杂的神经科学研究需求,并为小型脑区和细胞级别的神经递质检测提供更好的解决方案。



Part.02

研究内容


本研究旨在开发一种新型3D打印碳纳米针电极,满足小型脑区神经递质检测的需求。通过Nanoscribe双光子3D打印技术,研究团队构建了一个在高温退火时通过拉力作用形成细长、直线碳纳米针的结构,成功克服了纳米级针尖在碳化过程中的卷曲问题。研究对打印参数进行了优化,包括桥梁的宽度、长度和块的尺寸,以确保电极具备理想的形态和性能。使用快速扫描循环伏安法(FSCV)对多巴胺的检测表明,这些电极展现了良好的电化学性能,能够高灵敏度、快速地检测多巴胺。在果蝇幼虫腹神经索的生物应用测试中,碳纳米针电极能够成功插入神经组织,并稳定地测量多巴胺的释放与再吸收。通过COMSOL多物理场模拟,研究进一步验证了拉力在保持针尖直线性中的关键作用,并为电极的优化设计提供了依据。这种碳纳米针电极不仅适用于神经递质检测,还具有在细胞穿膜传感、药物递送及微电子领域的潜在应用。



Part.03

图文解析


图1:退火过程中碳纳米针的卷曲与拉伸设计。


图1A展示了当碳纳米针在退火时,由于重力和打印过程中的轻微不对称,超小型针尖会出现卷曲现象。卷曲的针尖不适合植入组织,并可能增加组织损伤。图1B展示了为了避免针尖的卷曲,作者提出一种新的设计:在两个块之间打印桥梁结构,在退火过程中拉力将桥梁拉直,形成细长、直线的碳纳米针。图1C展示了卷曲的针尖SEM图像,显示了卷曲的针尖,说明了原始设计在高温处理后的缺陷。图1D展示了拉直的针尖SEM图像,显示了经过新设计和退火处理后,针尖保持笔直,适合进一步的电化学和生物应用。


图2:不同桥梁直径、长度及块尺寸对纳米针结构的影响。


图2A展示了不同桥梁直径(5、10、15和20微米)的设计结构。图2B展示了不同桥梁长度(30、60、90和120微米)的设计结构。图2C展示了不同块尺寸(25、50、75和100微米)的设计结构。图2D-F分别展示了在退火后不同桥梁直径、长度和块尺寸的SEM图像。桥梁在退火过程中由于块的拉力被拉伸,形成了细长的碳纳米针。图2G-I通过COMSOL模拟展示了桥梁在不同直径、长度和块尺寸下的收缩和拉伸行为。颜色的变化代表拉力的不同,模拟结果与实验数据一致,帮助优化了最终的纳米针设计。


图3:不同桥梁宽度的碳结构及FIB切割后的SEM图像。


图3A-C展示了退火后的碳结构桥梁分别为330纳米、1.1微米和2.2微米的SEM图像。这些桥梁通过FIB切割后形成了不同尺寸的碳纳米针,保持了较好的结构直线性,适用于组织植入。


图4:碳纳米针在金属线上的构建及FIB切割后电极结构。


图4A展示了碳纳米针的完整结构设计,包括在硅片上固定的两个块以及支撑Nb金属线的桥梁结构。通过高温退火,桥梁收缩并拉直。图4B和C展示了在Nb金属线上的碳纳米针桥梁在退火后变得细长和直线,表面呈现出玻璃碳般的光滑性。图4D展示了在FIB切割后的碳纳米针,直径约为600纳米,长度可定制,且保持了良好的结构直线性,适合插入组织进行检测。


图5:碳纳米针电极的电化学性能测试。


图5A展示了碳纳米针电极在快速扫描循环伏安法(FSCV)测试中的背景电流,约为20 nA,反映了该电极小传感面积的特征。图5B显示了10 μM多巴胺在电极上的典型循环伏安图,氧化峰位于0.8 V,显示了该电极良好的电化学性能。图5C展示了扫描速率从100 V/s到1000 V/s时,电流随扫描速率的变化情况,表明该电极的电化学过程是吸附控制的。图5D展示了扫描速率与电流的对数关系,结果显示其线性相关,进一步证明了吸附控制过程。图5E和F展示了多巴胺浓度从1 μM到500 μM对电流的影响,随着浓度的增加,电极表面逐渐饱和,电流趋于平台。


图6:碳纳米针电极在果蝇实验中的应用。


图6A和B展示了果蝇幼虫腹神经索(VNC)中的多巴胺神经元的GFP表达,这些神经元位于光感神经节的周围,是电极检测多巴胺的目标区域。图6C和D展示了碳纳米针电极成功插入VNC组织中的图像,电极能够稳定插入并在组织内进行多巴胺检测。图6E展示了电极检测到的多巴胺信号,表明电极能够成功用于组织内多巴胺的动态监测,且电流随多巴胺释放和再吸收的变化而变化。



Part.04

结论与展望


通过设计和优化3D打印的碳纳米针电极,研究实现了高精度的神经递质检测。这种纳米电极具备优异的生物兼容性、良好的电化学性能,且由于其细长的结构,能够有效减少组织损伤。这些纳米电极除了在神经科学领域应用外,未来还可以应用于细胞内传感、药物递送及其他微电子领域,如能量存储和气体传感器的开发。


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  • Modulating the Surface Concentration and Lifetime of Active Hydrogen in Cu-Based Layered Double Hydroxides for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia, ACS Catal. 202414, 12042.

  • Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High‐Throughput Screening of Element Combinations in Pt‐Based High‐Entropy Alloys, Angew. Chem. Int. Ed. 202463,  e202407116.

  • Benchmarking the Intrinsic Activity of Transition Metal Oxides for the Oxygen Evolution Reaction with Advanced Nanoelectrodes, Angew. Chem. Int. Ed. 202463, e202404663(hot paper).

  • Thermally Enhanced Relay Electrocatalysis of Nitrate-to-Ammonia Reduction over Single-Atom-Alloy Oxides, J. Am. Chem. Soc. 2024146, 7779.




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