《Advanced Materials Interfaces》：Flexible Wide Bandgap Electrode System for In situ Cell Sensing and Irreversible Electroporation
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柔性生物电子界面通过将电子系统与柔软生物组织集成用于原位细胞感知和靶向治疗，正在改变生物医学工程。宽禁带半导体因其固有的生物相容性、机械鲁棒性和稳定的半导体特性而成为有前景的材料。研究人员最近在硅衬底上生长了薄单晶碳化硅（SiC），这是一种用于生物电子的有前景
柔性生物电子界面通过将电子系统与柔软生物组织集成用于原位细胞感知和靶向治疗，正在改变生物医学工程。宽禁带半导体因其固有的生物相容性、机械鲁棒性和稳定的半导体特性而成为有前景的材料。研究人员最近在硅衬底上生长了薄单晶碳化硅（SiC），这是一种用于生物电子的有前景的宽禁带材料。纳米薄碳化硅为精确的体内治疗带来了令人兴奋的新前景。然而，在生物流体相对腐蚀性环境中工作的材料降解，尤其是在施加电流的情况下，构成了主要挑战。在本研究中，研究人员展示了柔性立方碳化硅（3C-SiC）电极系统的设计、晶圆级微加工工艺和评估，用于细胞生物电感知和癌细胞的不可逆电穿孔消融。该电极系统在生理环境中表现出优异的电化学稳定性和机械柔顺性，确保与软组织的保形接触。对MDA-MB-231乳腺癌细胞的电穿孔程序表明，在短时间施加单相电流后实现了高效细胞裂解。同时，电极支持稳健的实时细胞活动记录，证实了其感知与驱动集成的能力。研究人员的结果表明，宽禁带半导体在细胞水平上实现稳健且多功能的生物电子界面具有良好前景，用于靶向治疗诊断（theragnostic）。
柔性生物电子界面在生物医学工程中正推动新范式，其核心需求是开发能与软组织共形集成的电极系统，用于原位细胞感知和靶向治疗。宽禁带半导体（Wide-bandgap semiconductor）如碳化硅（SiC）因生物相容性、化学惰性和机械鲁棒性而被视为理想材料，但传统电极在生物电解液中，尤其是施加电流时，易发生表面降解、电化学反应和性能漂移。现有研究尚未系统评估柔性单晶立方碳化硅（3C-SiC）电极在细胞培养基（如DMEM）中的电化学特性、电穿孔关键参数（如电流密度、电荷密度、能耗）及不可逆电穿孔（Irreversible Electroporation, IRE）最佳持续时间，也缺乏对癌症细胞生物电活动在IRE不同阶段实时记录的研究。为此，本研究设计、制造并表征了一种柔性单晶3C-SiC电极系统，旨在同时实现原位癌症细胞裂解与生物电信号记录，以验证其作为多功能治疗诊断界面的潜力。该研究发表在《Advanced Materials Interfaces》。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过低压化学气相沉积（LPCVD）在6英寸硅晶圆上外延生长100 nm单晶3C-SiC薄膜；利用晶圆级微加工工艺（包括反应离子刻蚀、电子束蒸发、湿法刻蚀、光刻及聚酰亚胺旋涂）制备柔性电极，并通过双相干法刻蚀从背面去除硅衬底实现柔性化；使用MDA-MB-231人乳腺癌细胞系（来源于美国典型培养物保藏中心ATCC）进行细胞实验；运用电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和电流-电压（I-V）特性测试评估电极稳定性；采用COMSOL Multiphysics 5.6模拟电场分布；通过低噪声电流前置放大器（SR570）进行实时细胞外电信号记录，结合快速傅里叶变换（FFT）分析；利用吖啶橙/碘化丙啶（AO/PI）染色和荧光显微镜评估细胞活力。
**5.1 单晶3C-SiC薄膜特性（Single-Crystalline 3C-SiC Thin Film Characteristics）**
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱分析（EDS）及选区电子衍射（SAED）表征，证实成功在6英寸Si(100)晶圆上外延生长了均匀、连续、结晶质量高的100 nm单晶3C-SiC薄膜，其界面原子级清晰，无明显互扩散，为后续生物电子应用提供了高质量基底。
**5.2 柔性SiC电极形态（Flexible SiC Electrode Morphology）**
光学显微镜和SEM图像显示，所制备的SiC电极阵列在聚酰亚胺（PI）衬底上具有平滑表面和精确图案，且可围绕圆柱体弯曲而不出现结构损伤，验证了其机械柔性和共形接触能力。电极由SiC活性垫、金/铬（Au/Cr）互连层和PI基底构成，设计旨在兼顾电化学稳定性与柔性。
**5.3 柔性碳化硅电子器件在细胞培养基环境中的可靠特性（Reliable Characteristics of Flexible Silicon Carbide Electronics in Cell Medium Environments）**
在DMEM溶液中进行的三电极电化学阻抗谱（EIS）显示，Nyquist图呈半圆状，表明电极-电解质界面形成稳定双电层，电荷转移电阻低；Bode图显示阻抗随频率增加而下降，相位角在高频趋近零，表明良好的导电性和频率依赖性电容特性。循环伏安（CV）曲线近似矩形且无氧化还原峰，证实非法拉第电容行为，电化学稳定性优异。I-V特性测试显示输入输出脉冲波形高度匹配（20 Hz，8 V峰值），线性度好。长期浸泡实验（10天细胞培养基MDA-MB-231细胞存在下）表明，电极I-V曲线保持线性对称，斜率无变化，传输效率始终高于97%（0.1–100 Hz），且光学显微镜下电极形态完整。此外，2000次弯曲循环和加速老化测试（98°C，11天）后，传输效率仍保持约97%，体内植入7天未观察到炎症或不良反应，证实了其优异的电化学稳定性、机械鲁棒性和生物相容性。
**5.4 SiC电极用于癌症细胞不可逆电穿孔治疗（SiC Electrodes for Cancer Cell Treatment by Irreversible Electroporation）**
利用COMSOL模拟（电极直径2000 μm，间距2000 μm）显示，电场在电极对之间集中且对称分布，从电极边缘向外逐渐衰减，实现了空间局限的电场递送。在150 V（名义电场750 V/cm）、100 μs脉宽、20 Hz条件下，对MDA-MB-231细胞进行IRE处理。定量分析表明，10秒处理后细胞活力降至约9.5%，而15秒和20秒处理后细胞活力均降至约0.1%，对照组保持约98%活力（p<0.001）。荧光显微镜图像（AO/PI染色）直观显示，在电场强度最高的区域（位置1）死细胞（红色荧光）占主导，而在低场区域（位置3）仍保持活细胞（绿色荧光），与模拟结果一致。这表明IRE介导的细胞死亡具有时间依赖性和空间选择性，且15秒处理已足以实现近乎完全的细胞消融。
**5.5 原位细胞外记录（In Situ Extracellular Recording）**
使用低噪声电流前置放大器（SR570）实时记录细胞外电流。仅含DMEM培养基时，基线稳定，FFT谱仅含50 Hz电源噪声。MDA-MB-231细胞培养2天后，记录到80–180 pA的波动电流，FFT显示多个非谐波频率成分，证实源于细胞离子通道活动和膜电位变化。经IRE处理（150 V，100 μs，20 Hz）后，信号随处理时间延长而减弱：10秒后振幅和频率成分减少；15秒后波形近乎平坦，FFT中细胞相关峰几乎消失；20秒后信号与培养基背景一致。结合细胞活力结果，确定最佳IRE处理时间为15秒，此时细胞活力低于0.1%且生物电活动完全停止，表明有效且可控的细胞裂解。
**讨论与结论**
讨论部分综合了电极的电化学、机械和生物性能，强调SiC的高击穿电场（1.5–3 MV/cm）、化学惰性以及长期稳定性使其优于传统电极材料（如金、铂、氧化铟锡）。研究通过定量计算电参数（电荷密度0.0478 μC/cm2/脉冲，电流密度0.48 A/cm2，能量消耗0.225 mJ/脉冲）建立了IRE协议与细胞响应的关联。此外，PI基底和Au/Cr互连的机械与电学可靠性在重复变形和老化后仍保持稳定，为长期体内应用提供了基础。研究结论（翻译自原文第6节）：在本研究中，研究人员成功在晶圆级制造了柔性单晶3C-SiC电极，证明其在细胞培养基中具有优异的稳定性和可靠性能。实时记录了MDA-MB-231乳腺癌细胞的生物电活动，峰值电流幅度约为80–180 pA。电极有效诱导了MDA-MB-231细胞不可逆电穿孔，处理15秒和20秒使细胞活力降至约0.1%，表明近乎完全的细胞死亡。相比之下，对照组在所有检测位置均保持高活力（约98%），证实观察到的细胞毒性效应特异地源于施加的电场。这些结果表明，将IRE处理延长至15秒以上并未显著提高消融效率。研究揭示，在150 V、100 μs脉宽、20 Hz的电刺激下，15秒的IRE暴露时间足以实现对MDA-MB-231乳腺癌细胞的有效消融。这些结果凸显了柔性SiC电极作为局部癌症细胞消融和未来多功能治疗诊断生物电子系统的稳健、精准平台的潜力。未来工作将聚焦于体内验证和系统集成以推动临床转化。
