摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，TENG）最早由王中林院士提出，TENG器件通過(guò)兩個(gè)摩擦電層相互作用產(chǎn)生的摩擦起電和靜電感應(yīng)現(xiàn)象的耦合效應(yīng)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)收集微小的機(jī)械能。

目前TENG作為前端柔性傳感器，被廣泛運(yùn)用于微小信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，包括人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、心臟細(xì)胞生物傳感和單個(gè)細(xì)菌中鞭毛運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。然而，用于大規(guī)模小動(dòng)物模型的生物混合TENG系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，中山大學(xué)林旭東課題組開(kāi)發(fā)了一種新型的分層結(jié)構(gòu)生物混合摩擦納米發(fā)電機(jī)（HB-TENG）系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了微流體室和摩擦電層，用于對(duì)自由移動(dòng)的秀麗隱桿線蟲(chóng)進(jìn)行大規(guī)模、實(shí)時(shí)和無(wú)標(biāo)記的行為學(xué)評(píng)估。

這種生物混合的HB-TENG系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了將秀麗隱桿線蟲(chóng)在爬行過(guò)程中引起的機(jī)械變形高效轉(zhuǎn)導(dǎo)為電信號(hào)，結(jié)合自制的多通道記錄系統(tǒng)或商用示波器，這些電信號(hào)被進(jìn)一步記錄并以高通量和高靈敏度的方式反映動(dòng)物生成的信息豐富的生物信息。

該系統(tǒng)能夠在給藥期間記錄數(shù)百個(gè)整體生物的電輸出。通過(guò)信息分析，HB-TENG系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)化合物的特性和功效從而揭示不同化合物的功能。TENG的高度敏感特性以及高通量，可擴(kuò)展在各種生物醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是推進(jìn)藥物研發(fā)的速度。

圖1 HB-TENG示意圖以及在秀麗隱桿線蟲(chóng)模型上進(jìn)行大規(guī)模高通量藥物篩選

HB-TENG系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造

TENG的工作原理是兩種不同的材料相互接觸，由于原子間距靠近，部分核外電子軌道被共用，而使得電子在兩個(gè)原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，研究人員設(shè)計(jì)并制造了聚二甲基硅氧烷（PDMS）層和銅芯之間的微小間隙。

通過(guò)對(duì)銅網(wǎng)高溫加熱氧化形成CuO犧牲層，再利用濃鹽酸去除氧化層，從而在PDMS包裹和銅芯之間形成微小間隙并且在銅芯表面形成微/納米級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此增加兩個(gè)摩擦層的接觸面積，并實(shí)現(xiàn)更高的TENG輸出信號(hào)和更好的系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。

為了確保器件的高檢測(cè)效率，研究人員探究了在不同加熱時(shí)間下形成的微小間隙大?。▓D2d-f），最終確定設(shè)計(jì)制造的TENG薄膜的兩個(gè)摩擦層間距約為3 μm（圖2g）。 為了感知?jiǎng)游镄袨橐鸬奈⒊叨茸冃?，研究人員通過(guò)微柱陣列微流控層的設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

具體來(lái)說(shuō)，微納米柱將秀麗隱桿線蟲(chóng)的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為T(mén)ENG上的PDMS層的摩擦變形，這種變形將誘導(dǎo)兩個(gè)摩擦電層之間接觸分離從而產(chǎn)生電輸出。微柱陣列中每個(gè)微柱的直徑約為50 μm，柱高為150 μm，柱間距為80 μm。線蟲(chóng)爬行和擺動(dòng)所產(chǎn)生的柱狀變形，拖動(dòng)了TENG上與微柱陣列貼合的銅芯外部薄PDMS膜層，使兩個(gè)電層之間的微小間隙接觸和分離，從而將物理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電輸出信號(hào)。

最后，研究人員將TENG和微柱微流控結(jié)構(gòu)相結(jié)合，最終成功制備了HB-TENG。

圖2 HB-TENG器件的表征

HB-TENG系統(tǒng)性能

與傳統(tǒng)TENG系統(tǒng)檢測(cè)以毫米/厘米為單位的人體運(yùn)動(dòng)變形不同，線蟲(chóng)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)僅以微米為單位。研究人員對(duì)器件進(jìn)行了各種模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試以全面評(píng)估TENG系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)自由運(yùn)動(dòng)動(dòng)物的這種微運(yùn)動(dòng)的體內(nèi)平臺(tái)的效果。

首先，通過(guò)三維有限元分析研究了HB-TENG系統(tǒng)微柱結(jié)構(gòu)和摩擦電層的力學(xué)變形，當(dāng)線蟲(chóng)以正弦方式通過(guò)微流體室時(shí)，線蟲(chóng)身體會(huì)擠壓彎曲微柱并引起偏轉(zhuǎn)（圖3a）。在機(jī)械模擬中，彎曲力被簡(jiǎn)化為水平力，范圍從幾微牛頓到幾十毫牛頓，接近新近報(bào)道的實(shí)驗(yàn)水平。當(dāng)水平力作用在特定柱子上時(shí)，它會(huì)引起柔性PDMS層上部的垂直反射（圖3b-3d）。

研究人員通過(guò)改變垂直反射作為作用水平力的函數(shù)改變水平力來(lái)調(diào)整上層PDMS層的最大位移（圖3b-3c）。值得注意的是，即使水平力小于200 μN(yùn)，這種垂直變形也很容易從橫截面平面角度引起銅芯表面和PDMS包裹層的接觸和摩擦（圖3d）。

兩個(gè)摩擦層的納米結(jié)構(gòu)表面和微柱陣列的設(shè)計(jì)對(duì)于HB-TENG系統(tǒng)在微小物理刺激檢測(cè)中的輸出性能至關(guān)重要。為了比較不同設(shè)計(jì)的TENG的電輸出，使用力范圍為10 mN至100 mN的直線電機(jī)或壓痕力范圍為200 μN(yùn)至800 μN(yùn)的納米壓痕器來(lái)劃動(dòng)TENG的表面（圖3f）。

如圖3g所示，當(dāng)施加5 mN的力時(shí)，不帶微柱的TENG的最大電輸出約為100 mV，與非微柱器件相比，HB-TENG系統(tǒng)顯示出近2倍的能量轉(zhuǎn)換增強(qiáng)，使這種分層結(jié)構(gòu)的生物混合摩擦電納米發(fā)電機(jī)陣列具有高靈敏度。

此外，如果沒(méi)有銅網(wǎng)表面的納米結(jié)構(gòu)，TENG的輸出也將大大降低（圖3h-j）。 為了進(jìn)一步測(cè)試HB-TENG系統(tǒng)的靈敏度，使用納米壓痕儀將微牛頓級(jí)的力施加到HB-TENG平臺(tái)中的單個(gè)微柱上。即使在大約200 μN(yùn) 的極小力作用下，器件也實(shí)現(xiàn)了25.0 ± 02.200 mV電勢(shì)，這表明HB-TENG 對(duì)微小變形/力具有良好的靈敏度（圖3k）。

當(dāng)秀麗線蟲(chóng)加入HB-TENG系統(tǒng)中，與沒(méi)有動(dòng)物在系統(tǒng)內(nèi)所測(cè)得的對(duì)照組信號(hào)相比，可以清楚地檢測(cè)到具有不同幅度和不規(guī)則極性的電勢(shì)的脈沖輸出（圖3l）。此外，電輸出可以很容易地通過(guò)系統(tǒng)中的化學(xué)刺激進(jìn)行調(diào)制，并同時(shí)有力地增加了電輸出的潛在幅度和頻率?？傊@些結(jié)果表明所研究的HB-TENG系統(tǒng)可以應(yīng)用于微小變形的檢測(cè)，適用于秀麗隱桿線蟲(chóng)的行為評(píng)估。

圖3 HB-TENG器件的物理性能

體內(nèi)使用HB-TENG系統(tǒng)進(jìn)行藥物篩選

研究人員隨機(jī)選擇了濃度為100 μM的多種化合物并用HB-TENG系統(tǒng)進(jìn)行篩選。為了進(jìn)一步剖析秀麗隱桿線蟲(chóng)對(duì)藥物治療的反應(yīng)行為活動(dòng)，從振幅和頻率方面分析了HB-TENG系統(tǒng)記錄的原始電信號(hào)（圖4c-d）。

例如，阿米替林是血清素和去甲腎上腺素神經(jīng)遞質(zhì)的再攝取阻斷劑，臨床上用作三環(huán)類(lèi)抗抑郁藥，與其他化合物相比，誘導(dǎo)的信號(hào)幅度最高；黃藤素能夠減緩線蟲(chóng)的行為活動(dòng)從而導(dǎo)致振幅顯著降低；氯氮平是抗精神病藥之一，由圖可見(jiàn)顯著增加了電尖峰的頻率。

此外，實(shí)驗(yàn)人員還研究了信號(hào)包絡(luò)和快速傅里葉變換（FFT）模式在顯示出某些藥物輸出信號(hào)的一些特定的顯著特征，并為每一種藥物提供了相應(yīng)的特定指紋。 為了進(jìn)一步提取化合物信息豐富的生物指紋之間的內(nèi)在一致性，研究人員采用無(wú)監(jiān)督分類(lèi)方法定義藥物的功能簇。

對(duì)于每種藥物，收集了來(lái)自20次獨(dú)立藥物測(cè)試的指紋，包括信號(hào)包絡(luò)和FFT模式，并形成了一個(gè)多類(lèi)型數(shù)據(jù)集。然后，使用一種結(jié)合多個(gè)高斯內(nèi)核的方法來(lái)學(xué)習(xí)37種藥物數(shù)據(jù)集中每對(duì)指紋之間的相似性度量，并進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)分層聚類(lèi)。

圖4 使用HB-TENG系統(tǒng)記錄藥物影響的秀麗隱桿線蟲(chóng)的電信號(hào)，并對(duì)藥理學(xué)信號(hào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估

在本研究中，聚類(lèi)分析在無(wú)監(jiān)督下鑒定了八個(gè)簇，揭示了具有相關(guān)指紋的化合物通常具有共同的治療適應(yīng)癥（圖5a）。相似性網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別出的聚類(lèi)彼此相距相對(duì)較遠(yuǎn)（圖5b）。此外，如相似性網(wǎng)絡(luò)所示，簇內(nèi)連接的緊密性很好地表明，每個(gè)單獨(dú)的指紋簇中對(duì)于本簇內(nèi)藥物存在實(shí)質(zhì)性的一致性。

例如，表兒茶素，芹菜素，柚皮素和白藜蘆醇具有高度相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而且這些化合物以前都被報(bào)道在體外/體內(nèi)具有抗氧化特性，在此次測(cè)試中，他們都聚集在第2組中（圖5c）。值得注意的是，一些結(jié)構(gòu)相似的化合物通過(guò)其識(shí)別的指紋成功地進(jìn)行了區(qū)分。

例如，將苦參堿，槐定堿和氧化苦參堿分別分為第7、5和2組（圖5d）。盡管這些生物堿具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)但空間配位不同。有趣的是，水飛薊賓和黃芩素這兩種黃酮類(lèi)化合物已被用于治療代謝綜合征和肝臟相關(guān)疾病的多種方法，與其他化合物相比顯示出不同的指紋圖譜，并在研究中歸入第4組（圖5e）。

然而，在第8組中鑒定出另一種異喹啉生物堿帕馬汀，也廣泛用于治療代謝綜合征和肝臟相關(guān)疾?。▓D5f）。但據(jù)報(bào)道，帕馬汀的藥代動(dòng)力學(xué)特征比水飛薊賓和黃芩苷更復(fù)雜，且帕馬汀在治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病上具有更廣泛的臨床應(yīng)用。綜上所述，這些結(jié)果表明，該HB-TENG陣列系統(tǒng)可用于具有不同治療功能的藥物的高通量體內(nèi)篩選。



圖5 使用HB-TENG基于指紋的高通量藥物篩選

審核編輯：劉清