《Small》：Electrochemical and Biological Evaluation of Patterned TiO2@TiC-Nanowires for Bio-Interface Electrode
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下一代生物电子接口要求材料兼具生物相容性、稳健的电化学性能和结构功能性。研究人员在此介绍一种用于图案化氧化钛包覆碳化钛纳米线（P-TiO?@TiC-NWs）的低温制备方法，该方法利用室温溅射沉积，避免了高温碳化物合成。TiO?@TiC-NWs结合了TiO?-N
下一代生物电子接口要求材料兼具生物相容性、稳健的电化学性能和结构功能性。研究人员在此介绍一种用于图案化氧化钛包覆碳化钛纳米线（P-TiO?@TiC-NWs）的低温制备方法，该方法利用室温溅射沉积，避免了高温碳化物合成。TiO?@TiC-NWs结合了TiO?-NWs的高纵横比结构与TiC的电化学性能，为生物电子接口设计提供了一个可调谐的平台。通过调节溅射压力和沉积时间，研究人员设计了不同的TiC壳层形貌与组成。低压沉积产生均匀的导电壳层，有利于更快的电荷动力学和更理想的电容响应，而高压沉积则生成富碳、花椰菜状形貌，增加了电化学可及表面积。在3和10 mTorr下沉积20 min时，TiO?@TiC-NWs的面积电容分别达到1.01和2.25 mF cm?2，而相应的平面TiC薄膜仅为117 μF cm?2和1.35 mF cm?2。在生理缓冲液中经过3000次循环后，10 mTorr、20 min溅射的样品保留了86%的电容，而3 mTorr样品保留了75%。在P-TiO?@TiC-NW基底上培养的C2C12肌管表现出沿纳米线条纹轴线的优先粘附和定向排列，证明了纳米尺度表面形貌能够引导各向异性的细胞组织。综上所述，这些特性凸显了P-TiO?@TiC-NWs作为有前景的生物电子接口材料。
**论文解读：图案化TiO?@TiC纳米线生物接口电极的电化学与生物学评价**
**一、研究背景与问题**
生物电子接口器件正朝着高柔性、可长期植入且具备优异电化学性能的方向发展。电极材料作为细胞与电子器件之间的关键界面，其电化学特性与生物相容性直接决定整个系统的性能。长期应用中电极界面需在生理环境下维持稳定电学性能，同时支持细胞粘附、存活与功能发挥。然而，传统高性能碳化物纳米结构（如TiC纳米线）的合成通常依赖1400°C以上的高温过程（如氯辅助碳热还原或CH?/He/Ar气氛碳化），这与柔性聚合物基底无法兼容，严重限制了其在可穿戴、可植入生物电子器件中的应用。钛酸钡（TiO?）因优异生物相容性与耐腐蚀性成为理想模板材料，而1D纳米线结构能提供高比表面积和各向异性形貌特征。因此，研究目标是在低温条件下将导电TiC壳层保形包覆于水热生长的TiO?纳米线表面，构建一种兼具高比表面积、良好导电性、结构可调性以及细胞引导能力的复合纳米线阵列，并系统评估其电化学和生物学性能。
**二、研究内容与关键方法**
研究人员开发了低温射频磁控溅射工艺，以室温溅射法在TiO?纳米线表面沉积TiC壳层，避免了传统TiC高温合成路线。研究系统调节了溅射压力（3、5、7、10 mTorr）与沉积时间（5–30 min），并设计了一种图案化基底（300 μm宽FTO条纹间隔1 mm玻璃间隙），形成含P-TiO?@TiC-NWs、平面TiC膜、裸TiO?-NWs和裸露玻璃四种区域的单一基底，用于对比研究表面组成与形貌对细胞行为的影响。材料表征采用了扫描电子显微镜（SEM）、扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）。电化学性能通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）在三电极体系中进行评估。生物学评价采用C2C12成肌细胞，C2C12肌管经免疫荧光染色、融合指数计算、肌管直径与取向定量分析，并通过定向有序参数（OOP）评价各向异性排列程度。
**三、主要研究结果**
*3.1 形貌与表面化学分析*
SEM结果表明，水热生长的TiO?纳米线呈四方棱柱形貌，直径约80 nm、长度约1.9 μm。溅射TiC后形成核壳结构，随沉积时间延长，纳米线顶端直径从80–100 nm增加至约220 nm（30 min）。STEM-EELS证实，3 mTorr条件下TiC壳层更保形均匀，侧壁壳厚约21 nm，而10 mTorr样品壳厚约15 nm，TiC集中积聚于纳米线顶端形成花椰菜状粗糙结构，侧壁包覆较薄。EELS显示Ti L-edge特征表明两种样品均呈低价态Ti（Ti3?/Ti2?），C K-edge显示sp2与sp3碳共存；10 mTorr样品含更高sp3碳和氧化碳物种。XPS表明3 mTorr样品TiC含量更高，10 mTorr样品C–C/C=C信号更强。Raman光谱显示10 mTorr样品IG/ID比值较大，说明石墨化程度更高。这些结果表明，升高溅射压力使TiC含量降低，而碳的sp2/sp3化学比例增加。
*3.2 电化学分析*
*3.2.1 循环伏安法（CV）*
所有样品CV曲线均呈准矩形，表现为赝电容行为。在20 min沉积条件下，TiO?@TiC-NWs在10 mTorr时达到最高面积电容2.25 mF cm?2，而平面TiC膜仅为1.35 mF cm?2；3 mTorr时，纳米线电极电容为1.01 mF cm?2，比对应平面膜（117 μF cm?2）提高近一个数量级。延长至30 min后，10 mTorr样品的面积电容进一步提升至5.25 mF cm?2。电容增加主要归因于纳米线阵列提供了更大的电化学可及表面积，同时10 mTorr下粗糙花椰菜状形貌提供了更多活性位点。
*3.2.2 电化学阻抗谱（EIS）*
Bode图显示3 mTorr样品在高频区域（包括1 kHz）阻抗更低，归因于较高的TiC含量和更好的导电性；10 mTorr样品虽初始阻抗较高，但在低频区（0.1 Hz）30 min沉积条件下阻抗最低（1280 Ω），对应最大电荷存储能力。相位角分析表明，3 mTorr样品低频相位角更接近?90°，电容行为更理想；10 mTorr样品相位角在?60°至?70°之间，表明存在更多电阻性和扩散性贡献。等效电路拟合结果显示，TiO?@TiC-NWs的双电层有效电容（C
dl, eff）、表观电化学活性面积（ECSA
app）和粗糙度因子（RF）均高于对应平面膜。10 mTorr纳米线电极RF最高达1.427，而3 mTorr仅为0.229。
*3.2.3 电化学稳定性测试*
对20 min沉积的3和10 mTorr样品进行3000次CV循环测试。10 mTorr样品在3000次循环后保留86%的初始电容，3 mTorr样品保留75%。两种电极在1 kHz处的阻抗增加均小于20%，低频相位角无显著变化，表明重复循环未引入明显的电阻性或扩散性限制。10 mTorr样品的较高电容保留率可能归因于其更富表面活性的形貌，在长期循环中保持了更大比例的电化学可及位点。
*3.3 C2C12肌肉细胞粘附与增殖研究*
选择10 mTorr、20 min溅射的TiO?@TiC-NWs进行C2C12成肌细胞培养。所有基底上细胞核数量在统计上保持一致，表明细胞活力未受影响，但肌管形成和组织程度差异显著。裸玻璃对肌原性分化的支持最差，肌管稀疏且融合指数显著降低；平面TiC膜改善了细胞粘附且支持融合，但存在局部细胞脱落和肌管连续性中断现象。相比之下，TiO?-NWs和TiO?@TiC-NWs基底上肌管更连续、均匀，表面覆盖更好。在图案化基底上，C2C12肌管优先附着于纳米线条纹区域，并沿条纹轴方向显著定向排列。定向有序参数（OOP）在图案化基底上接近完美取向：P-TiO?@TiC-NWs的OOP为0.98，P-TiO?-NWs为1.00，而对应非图案化基底仅为0.56–0.79。值得注意的是，P-TiO?@TiC-NWs同时实现了近完美排列（OOP=0.98）和最长肌管长度（约426 μm），表明TiC涂层在图案化纳米线支架上支持肌管同时具有良好的排列性和成熟度，这种组织方式非常适合肌肉-电极生物电子界面所需的各向异性定向电耦合。
**四、结论**
该研究首次展示了在室温条件下制备TiO?@TiC核壳纳米线电极，通过结合1D TiO?纳米线支架与溅射TiC壳层，克服了传统TiC纳米结构高温合成的局限。10 mTorr下溅射30 min的面积电容达5.25 mF cm?2，是目前报道的溅射TiC基电极中的最高值之一。图案化P-TiO?@TiC-NWs同时实现了优异的电化学性能和接近完美的肌管定向排列，凸显了其作为下一代生物电子接口材料的潜力。未来应在神经元、心肌细胞等电活性细胞模型中评估长期细胞活力和功能，并结合刺激与记录研究来确定其在生物传感、肌肉相关接口及其他植入式电极平台中的适用性。
