科学家成功将硅芯片植入人类细胞中(图)

【字体: 时间:2010年03月23日 来源:网易探索

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  随着领先的芯片制造厂家开始利用22纳米互补式金氧半制程(CMOS),持续小型化已使半导体产业进入纳米领域。现在晶体管的大小只有几十纳米,这使研究人员能够通过整合纳米电子组件和活细胞来探索生物学和电子的杂合体。虽然研究人员已经进行将活体细胞植入半导体材料的试验,部分研究人员正在做相反方向的探索,即将纳米电子元件植入活细胞中。

  


预计未来不同年份能植入一个典型细胞(10平方微米)内的晶体管数量。


        随着领先的芯片制造厂家开始利用22纳米互补式金氧半制程(CMOS),持续小型化已使半导体产业进入纳米领域。现在晶体管的大小只有几十纳米,这使研究人员能够通过整合纳米电子组件和活细胞来探索生物学和电子的杂合体。虽然研究人员已经进行将活体细胞植入半导体材料的试验,部分研究人员正在做相反方向的探索,即将纳米电子元件植入活细胞中。

 

  个体细胞的研究在生物医学中有非常重要的意义。许多生物过程发生在细胞内,并且这些过程在不同的细胞内是不一样的。比细胞更小的微米和纳米元件的发展将有助于在单细胞层面上了解细胞机器(cellular  machinery)。利用这些装置,可对细胞的机械的、生物化学的、电化学的和各种热过程进行研究。

 

  一个典型的人体细胞,其大小约为10平方微米,这意味着一个细胞可以植入数百个今天最小的晶体管。如果目前晶体管小型化的速度能继续保持,到2020年一个细胞可植入大约2.500个晶体管,这相当于第一代个人电脑的微处理器。

 

  “今天微米和纳米电子的进程已经使我们能够制造出复杂的三维微观结构作为传感器和驱动器。”  何塞・安东尼・普拉扎(José  Antonio  Plaza)说,“这种比细胞更小的复杂结构,可以进行大规模的生产,而在形状和尺寸上的精确度可以达到纳米级,并且成本低廉。此外,许多不同的材料(半导体、金属和绝缘体)可以准确的尺寸和形状整合到硅芯片上。”

 

  普拉扎是西班牙巴塞罗那微电子学研究所微米和纳米系统研究部的一名研究员,与由同事组成的一个团队一道,证明小于细胞的硅芯片能被制造、收集,并能以不同的技术(脂质体转染法、吞噬作用或显微注射)植入到活细胞内,而最引人注目的是,它们可以作为细胞内的传感器。

 

  这个团队的这一发现发表在最新一期的《Small》杂志上,论文标题是《活细胞的细胞内硅芯片》(Intracellular  Silicon  Chips  in  Living  Cells)普拉扎指出,许多研究涉及到不同形状和组织的微米级和纳米级颗粒的制造和细胞吞噬。这些颗粒主要通过化学合成的方法制造,并已显示对纳米医学具有较大的影响。

 

  “反过来。”他说,“硅芯片已经显示在现代生活的许多领域具有无限的应用前途。因此,我们工作的重点是证明,制造出的微米和纳米颗粒级别的硅芯片,可以作为细胞内的传感器。这些芯片的生产材料是典型的半导体材料:硅,生产方法是以光蚀刻技术为基础的普通的工业制造工艺。

 

  论文的第一作者罗德里・戈麦斯・马丁内斯(Rodrigo  Gómez-Martínez)解释说,相对于微米和纳米颗粒,细胞内硅芯片有几个潜在的优点:

 

  *形状和尺寸可精确到纳米级

 

  *可整合不同尺寸和几何形状的多种材料

 

  *具有三维纳米结构

 

  *可与电子进行整合

 

  *可与机械零件进行整合

 

  *具有微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的所有优点,

 

  在他们的实验中,这个西班牙的团队制造出不同批次的多晶硅芯片,然后选择了横向尺寸为1.5  -3微米、厚度为0.5微米的最合适的类型植入到活细胞内。细胞取自盘基网柄菌(Dictyostelium  discoieum)和被称为HeLa细胞的源自一名美国妇女的子宫颈癌细胞的细胞。

 

  为了进一步证明该技术的通用性,他们研究了将不同材料整全到一个单芯片上,以及利用其它常用的微电子技术,如聚焦离子束(FIB)技术,研究它们的三维纳米构型的能力。

 

  “起初的实验用多硅芯片培育HeLa细胞,但这样的方法制造内化的细胞内芯片的效率很低。”这个团队的生物学家帕特里夏・巴斯克斯(Patricia  Vázquez)和特里萨・苏亚雷斯(Patricia  Vázquez)说,“然后,我们使用脂质体转染法(脂质体是磷脂分散在水中时形成的脂质双分子层)以获得更高比例的植有芯片的细胞。

 

  将芯片植入活细胞后,研究人员要确保这些细胞的存活和保持健康状态。他们发现,在进行脂质体转染后,90%以上的被植入芯片的HeLa细胞个体仍然具有活性。

 

  “根据我们的实验,我们可以得出结论,这种基于硅的反向制造细胞内芯片的方法可以被活的真核细胞内化,而不会影响细胞的活性,而且功能化的芯片可以作为细胞传感器来使用,因为它们可以与细胞质相互配合。”普拉扎说,“这些芯片具有与许多合成的微米和纳米颗粒类似的尺寸,但它们同时具有硅芯片技术的优势。细胞内的芯片可以提供更高的灵活性、更多形状和尺寸,并且它们具有三维纳米构型,可以在芯片级水平与多种材料(半导体、绝缘体、金属)整合。”

 

  未来细胞内芯片的主要应用于单体细胞以及疾病的早期发现和新的细胞修复机制的研究。  这个团队的设想是细胞内硅芯片将给细胞内应用的创新装置的设计上带来无限的可能性。

 

  普拉扎指出:“在不久的将来,新型细胞芯片将对单细胞水平的定性和定量研究提供可行性,对细胞体内的活动进行快速实时监控,以及专门瞄准某个活动的区域或针对某些细胞有效释放药物。”

 

  这个团队目前所取得的成果只在新型的细胞内以硅为基础的微机电系统和纳机电系统技术上迈出了一小步。现在,未来研究的挑战将是新技术的开发,生产出比细胞小的微机电系统和纳机电系统(小型的具有机械的、电子的、磁性的和/或化学的部件的装置)。

 

  显然,这些结构对细胞的活性的影响是根本性的问题。虽然最初的观察显得乐观,但如果新的材料或三维结构将要使用在细胞内的装置上,进一步的系统性的细胞毒性和生物相容性试验将是必要的。

 

  普拉扎说:“这些装置将如何与活细胞相互影响,以及如何执行感知活动是一个新的令人着迷的课题。”

 

  本文译自/nanowerk  译/译言
 
 

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