David Sretavan & Hyuck Choo Nat. Nanotech.: 由长尾玻璃翼蝴蝶为医疗设备设计的多功能双光子纳米结构

【引言】

据调查发现，估计有8-10%的美国人（5-6%在其他发达国家）在他们的一生中，都需要依靠植入的医疗设备来维持身体机能。因此，开发医疗植入技术的努力一直在增加。然而，对这些努力的一种主要挑战是，要求在严格限制的范围内具有多种功能，同时必须确保在体内性能和可靠性能方面可以接受。工程多功能表面的灵感通常来自于自然界，它拥有大量的纳米结构，具有广泛的理想特性。在自然界中，许多活的生物体都拥有能够为生存提供颜色和其他多种功能的光子纳米结构。虽然这些结构已经在实验室中进行了积极的研究和复制，但目前尚不清楚它们是否可以用于生物医学应用。

【成果简介】

近日，美国加州理工学院的Hyuck Choo教授和加利福利亚大学的David Sretavan教授（共同通讯作者）等报道了一种透明的双光子纳米结构，它受到长尾玻璃翅蝴蝶（Chorinea faunus）的启发，并展示了它在体内的眼压（IOP）传感器的使用。利用两种非混相聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯）相分离，在Si₃N₄基质上形成纳米结构的特征。因此形成的膜具有良好的角质性白光透射性、强亲水性和抗生物活性，防止蛋白质、细菌和真核细胞粘附。并且，他们用制备的光子膜作为光学传感元件，研制了一种微型的植入式IOP传感器。最后，通过在新西兰白兔体内进行的活体检测，表明制备的设备在没有炎症迹象的情况下，降低了IOP的平均测量偏差。研究成果以题为“Multifunctional biophotonic nanostructures inspired by the longtail glasswing butterfly for medical devices”发布在国际著名期刊Nat. Nanotech.上。

【图文导读】

图一、C. faunus翼的表征 

（a）C. faunus蝴蝶在可见光下的照片；

（b）C. faunus翼上纳米结构的纵横比（高过基直径）的统计分析；

（c）密集的后盘区的SEM图；

（d）基地面积稀疏区的SEM图；

（e）对后盘区近场散射剖面的时域差分模拟（细胞频率：150 nm）;

（f）对基底面积近场散射剖面的时域差分模拟（细胞频率：300 nm）;

（g）测量后盘区的弥漫性和镜面透射率，在实验不确定度范围内的光谱差异；

（h）测量基地面积的扩散和镜面投射率，透射率金和可见的散射特性有20%的差异；

（i、j）在波长420 nm时，从-20^o到20^o，在后盘的前向散射（i）和基底区（j）都记录了一系列入射角度不同的变化；

图二、纳米结构的Si₃N₄-膜的制备和光学性能 

（a） 生物激发纳米结构Si₃N₄-膜的制备流程；

（b） 三维纳米Si₃N₄-膜和纳米结构的原子力显微镜图像宽高比为0.450±0.065近似高斯分布图；（c） Si₃N₄-膜上的纳米结构的SEM图和相应的环形二维傅里叶功率谱图；

（d） 实验获得角度分辨总透光率平Si₃N₄-膜显示光峰值周围705 nm由于透射薄膜以其引入的干扰峰蓝移30 nm在40^°入射角由于j角度变化相干扰的本质过程,同分析薄膜造型一样；

（e） 实验获得了纳米结构Si₃N₄ -膜的角度分辨的总透射率，表明其对角度的依赖性显著降低。

图三、纳米结构的Si₃N₄-膜的表面生物物理性质 

（a） 利用荧光强度显微镜观察牛血清白蛋白对阳性对照、扁平Si₃N₄和纳米结构Si₃N₄表面的粘附力；

（b） 利用荧光强度显微镜观察链霉素对阳性对照、扁平Si₃N₄和纳米结构Si₃N₄表面的粘附力；

（c） 大肠杆菌在纳米结构Si₃N₄表面的粘结剂数量明显低于平面Si₃N₄表面；

（d） 在HeLa细胞培养中，阳性对照、扁平Si₃N₄和纳米结构的Si₃N₄的荧光显微图在HeLa细胞培养基中培养72 h，标记为细胞渗透性核酸标记物Hoechst 405(上面板)和SYTOX绿色(下面板)，表明纳米结构Si₃N₄的抗粘附特性；

（e） 在纳米结构的Si₃N₄表面上附着HeLa细胞密度明显低于阳性对照和扁平Si₃N₄表面。

图四、纳米结构IOP传感器的基准特性 

（a） 传感器法布里-珀罗谐振腔的谐振位移作为IOP的函数来测量；

（b） 反射共振谱的峰值位移是入射角的函数；

（c） 强度作为衡量峰谷值的标准，对比最突出的峰值和峰谷的共振情况和在0^o入射角时的标准化的测量。

（d） 增加入射角度引起的压力漂移误差；

（e） 纳米结构传感器在一个压力控制室中测试0-32 mm Hg，并使用数字压力表作为参考。

图五、纳米结构IOP传感器的体内性能和生物相容性 

（a） 一个平面的和一个纳米结构的传感器分别被植入两只活的新西兰白兔前室（黑色箭头指示）一个月；

（b） 从持续的IOP测量中收集到的最高信噪比的光谱，每间隔60 s，集成时间为10 ms；

（c） 直方图显示了相对于单位平均波长(s.d.=1.3 nm)和纳米结构(s.d.=0.6 nm)传感器的光谱数据(n=95频谱);

（d） 与传统的弹力测压读数相比，用平面(s.d.=0.64 mmHg, n=95频谱)和纳米结构(s.d.=0.23 mmHg, n=95频谱)传感器的标准偏差，与传统的弹力测量读数(s.d.=1.97 mmHg, n=12测量值)相比较；

（e） 在体内研究一个月后，平面Si₃N₄传感器的三通道免疫荧光共聚焦显微镜图像(z-stack)。

【小结】

研究了一种用于医用植入物的生物双光子纳米结构。通过调优纳米结构的关键物理尺寸，设计了结构诱导的散射，扩展了光学读出角度，并改进了适合于离子感应植入物的超压炎症的防污。在青光眼中，准确的IOP检测是疾病诊断和管理的唯一方法，IOP检测的光学传感方法在微小化、能源效率和检测频率方面一直很有前景。通过在IOP传感植入物上的纳米结构的整合大大扩展了其检测范围，同时减少了体内IOP误差的三倍，也有效的抑制了生物污染和炎症。激发了进一步的研究工作，包括使用移动设备进行持续的IOP检测，结合基于记忆的跟踪功能，将改善青光眼的治疗效果，降低视力障碍和失明风险。这些有希望的结果，相信大量的医疗技术和设备将大大受益于双光子纳米结构的多功能性。

文献链接：Multifunctional biophotonic nanostructures inspired by the longtail glasswing butterfly for medical devices（Nat. Nanotech., 2018, DOI:10.1038/s41565-018-0111-5.）

本文由材料人生物材料组小胖纸编译。

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