他，ACS Nano副主编，经历堪称传奇！

田博之教授，芝加哥大学化学系教授，现任ACS Nano副主编。田教授所领导的团队长期探索生物和半导体系统之间的分子-纳米界面，重点研究兴趣在于新材料合成和器件概念设计方面，在Nature、Science及其子刊等顶级国际期刊上发表了丰硕的研究成果。

田教授自身的人生经历也堪称传奇。他以全国化学奥赛一等奖得主身份保送复旦大学化学系本硕（3+3）连读。在复旦期间，师从赵东元院士发表了多达25篇论文，其中包括了Nature Materials在内的6篇第一作者论文，此外还持有7项第一发明人专利。由于出色的成绩，他最终被复旦大学破格授予博士学位。复旦毕业以后，他同年获得哈佛大学全额奖学金，师从极具影响力的科学家、美国科学院院士Charles M. Lieber。在读期间，他又了2篇NS正刊文章和2篇NS大子刊文章。他曾被美国麻省理工学院评委2012年度“世界顶尖青年创新家”，2016年被美国总统奥巴马授予的“青年科学家总统奖”，同年也获得了“斯隆研究奖”。

接下来，我们汇总了田博之团队以往的代表性工作，与大家一起分享。

Nature：可用于心脏治疗的光刺激平台

心肌由通过化学、机械和电信号系统相互作用的细胞组成。电耦合使电信号从单个刺激点快速传播，从而使整个肌肉受到刺激。其他类型的耦合为标准电动起搏器的替代品提供了灵感。研究人员研究了靶向特定蛋白质的可能性，这些蛋白质可以机械地或通过温度或光的变化传输所需的信号。这些传感器可以通过光或超声波非侵入性地触发。然而，尽管付出了巨大的努力，这些方法尚未产生临床上可行的疗法。一个障碍是天然和基因工程分子传感器都不够灵敏。另一个问题是现有设备不够复杂，无法与人体组织很好地连接。事实证明，将基因工程分子传感器定向且稳定地输送到心脏也很困难。

芝加哥大学田博之教授和Narutoshi Hibino等人提出了一种利用光能刺激心脏的技术，可以解决目前电动起搏器的问题。详细而言，他们展示了利用基于半导体生物调制接口的非遗传平台对心脏系统进行可调时空光刺激。通过光电化学电流的时空剖析，他们评估了四种无引线硅基单片光电化学器件的光刺激幅度、精度、准确性和分辨率。然后通过针对多个区域和空间范围的培养心肌细胞（CM）、Langendorff仪器中的离体大鼠心脏、缺血模型中的活体大鼠心脏以及经胸光学起搏的活体小鼠心脏模型进行光学超速起搏，研究人员展示了这些装置的光电功能。这是首次在体内对猪心脏进行了光学覆盖起搏和多点起搏。该系统可随时用于微创临床手术，使用定制的内窥镜传输装置，作者演示了闭合胸腔手术和内窥镜光学刺激。研究结果表明，无引线、轻型、多部位光刺激平台作为心脏再同步治疗（CRT）中的起搏器具有临床潜力，其中引线放置并发症很常见。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07016-9

Science：基于原子金的三维光刻技术制造硅介观结构

三维（3D）介观结构半导体已经展现出了极具前景的性质和应用；然而，到目前为止，很少有合成或制备这种材料的方法。一般来说，金属可以沿着半导体表面扩散，甚至微量金属也可以改变表面行为。

芝加哥大学田博之教授等人利用上述现象，通过改进平版光刻印刷工艺，实现3D介观尺度光刻行为，其中金在硅纳米线上的迭代沉积扩散结合形成抗蚀刻图案。这一过程是面选择性的，可产生具有骨架状形态、3D构造图案和降低对称性的介观结构硅针状物。作者利用原子探针层析成像，结合其他定量测量，证明了单个金原子的存在及其在形成3D光刻胶中的作用。与其他更均匀的硅结构相比，各向异性针状物需要更大的力才能与胶原水凝胶分离，这表明在介观尺度上界面相互作用增强。金作为催化剂从气相中生长和拉长硅纳米线。改变生长过程的压力改变了金沿着金属丝表面的扩散速率。在蚀刻导线时，不均匀的金涂层充当光刻掩模。因此，作者能够通过严格的化学方法制造出具有一系列脊和凹口的复杂形状的硅针状物。

文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1257278

Nat. Chem.：受土壤启发的动态响应化学系统用于微生物调节

微生物群与其定居环境之间的相互作用介导了从生物地球化学循环到人类健康稳态的关键途径。受此启发，芝加哥大学田博之教授和林艺良等人报告了一个仿生化学系统，该系统由纳米结构矿物，淀粉颗粒和液态金属组成。通过自下而上的合成制造，受土壤启发的化学系统可以实现微生物群落的化学再分布和调节。通过激光照射形成的合成后修饰导致了从原子到宏观水平的化学非均质性。这种受土壤启发的材料具有化学、光学和机械响应能力，可在电气性能中产生写入-擦除功能。该复合材料还可以在体外增强微生物培养/生物膜生长和生物燃料生产。最后，受土壤启发的系统丰富了肠道细菌的多样性，纠正了四环素诱导的肠道微生物组生态失调，并改善了体内啮齿动物模型中葡聚糖硫酸钠诱导的啮齿动物结肠炎症状。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-022-01064-2

Nat. Mater.：基于孔隙的异质结使组织的无铅光电调节成为可能

同质结和异质结在场效应晶体管、太阳能电池、光电探测器和发光二极管等半导体器件中发挥着重要作用。半导体结最近已被用于通过光伏或光电化学机制光学触发生物调节。异质结的产生通常涉及具有不同掺杂或组成的材料，这可能会导致高成本、复杂的制造和生物界面的潜在副作用。

在此，芝加哥大学田博之教授和以色列理工学院Menahem Y. Rotenberg等人证明了基于多孔性的异质结，这个在材料科学中被广泛忽视的系统，可以从半导体表面产生有效的光电化学反应。使用自限染色蚀刻，作者可在环境条件下几秒钟内在p型硅中形成纳米多孔/无孔、软硬异质结。在表面氧化时，异质结在盐水中产生强烈的光电化学反应。在没有任何互连或金属修饰的情况下，异质结能够以与光遗传学相当的光功率和近红外能力对体外分离的大鼠心脏和体内坐骨神经进行有效的非遗传光电刺激。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01249-7

Nat. Mater.：基于异质硅介观结构的生物电子界面

硅基材料作为生物物理工具和生物医学设备有着广泛的应用。在此，芝加哥大学田博之教授和Francisco Bezanilla教授等人介绍了一种具有多尺度结构和化学不均匀性的生物相容性和可降解的介观结构硅。该材料是以介孔二氧化硅为模板，通过化学气相沉积工艺进行合成的。它具有非晶原子结构、有序的纳米线框架和随机的亚微米空隙，并且显示出比单晶硅小2-3个数量级的平均杨氏模量。此外，作者使用异质硅介观结构设计了一种脂质双层支持的生物电界面，该界面是远程控制的，在时间上具有瞬态特性，并且允许对单个背根神经节神经元的电生理动力学进行非遗传和亚细胞光学调节。该研究结果表明，硅仿生膨胀成异质和可变形的形式可以在细胞外生物材料或生物电系统中开辟研究和应用机会。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/nmat4673

Nat. Nanotech.：打开多孔碳膜应用新领域——生物电子界面

当前的生物电子学应用如药物输送系统，组织和器官的生物传感和电调制等大都需要宏观的生物界面。然而，宏观生物电子设备通常是刚性的，且对细胞和组织具有机械侵入性。设备较大的尺寸也难以形成亚细胞生物界面。许多设备还在电极表面显示出法拉第反应，产生有毒的反应性物质，腐蚀电极，并对相邻的组织造成永久性损害。

有鉴于此，芝加哥大学田博之教授和Yin Fang等人采用胶束自组装的方法（micelle-enabled self-assembly approach）制备了无粘合剂的碳基整体设备，用于大面积的生物电子界面。该器件具有多孔结构，叉指状的微电极布局以及类似超级电容器的性能。在细胞训练过程中，研究人员使用该设备在亚细胞水平上调节原代心肌细胞的收缩率，使其达到体外目标频率。研究人员还实现了对离体心脏，视网膜组织和坐骨神经的电生理的电容控制，以及生物电子心脏传感。该研究将碳基多孔膜材料的应用领域从能源领域拓宽到了生物电子领域。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-00805-z

Nat. Nanotech.综述：纳米神经接口研究图谱

显微镜和分子策略的进步使研究人员得以深入了解哺乳动物大脑的复杂组织以及神经元在处理信息中的作用。尽管取得了巨大进展，但由于缺乏用于在体内感知和调节神经元信号的生物材料，神经疾病的治疗策略仍然有限。因此，迫切需要开发能够形成无缝生物界面并以前所未有的分辨率询问大脑的材料的工具。在这篇综述中，芝加哥大学田博之教授等人讨论了材料设计和实现中的重要考虑因素，强调了神经传感和调制方面的最新突破，并提出了神经技术研究的未来方向。该文的目标是为纳米神经接口创建研究图谱，并展示新兴的纳米技术如何询问跨越多个生物长度尺度的神经系统。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0487-x

Nat. Nanotech.：硅纳米线光电化学调节神经活性

调节细胞行为的光学方法在基础和临床应用中都很有前景。然而，大多数可用的方法要么是机械侵袭性的，要么需要靶细胞的基因操作，要么不能提供亚细胞特异性。硅（Si）纳米材料由于其高度可调的电学和化学性质、吸收宽波长光的能力以及生物相容性，已被广泛用于许多生物物理或生物医学应用，因此有望解决这些问题。

硅纳米线（SiNWs）由于其独特的一维结构、生长过程中精确可调的掺杂分布、允许高空间特异性的纳米级直径以及以药物状形式分散的能力而颇受关注。芝加哥大学田博之教授和Francisco Bezanilla教授等人使用同轴的p型/本征/n型（PIN）SiNWs，由p掺杂的核、本征和n掺杂的壳组成，可以无线和光电化学方式调节原代大鼠背根神经节神经元的兴奋性。研究揭示了纳米线表面存在原子金，这可能是由于材料生长过程中金的扩散。在神经元/PIN SiNW界面的光刺激下，电子向n型壳移动，空穴向p型核移动，在n型壳处诱导阴极过程，该阴极过程可以使目标神经元局部去极化。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-017-0041-7

Nat. Biomed. Engineering：光控多尺度生物界面硅结构的合理设计

硅基材料已广泛应用于生物应用中。然而，由于对硅和生物材料之间界面处发生的复杂物理化学过程的基本了解有限，很少探索远程控制和无互连的硅配置。

芝加哥大学田博之教授等人描述了在生物学指导下建立细胞内、细胞间和细胞外硅基界面的合理设计原则，其中硅和生物靶标具有匹配的特性。研究专注于这些界面的光诱导过程，并开发了一组矩阵来量化和区分盐水中约30种不同硅材料的电容、法拉第和热输出。研究表明，这些界面可用于细胞内钙动力学、细胞骨架结构和运输、细胞兴奋性、脑片神经递质释放和体内大脑活动的光控非遗传调节。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-018-0230-1

Nat. Rev. Mater.：无机半导体生物界面

生物系统通过电、热、机械和地形信号等生物物理信号做出反应并进行通信。然而，用于引入局部物理刺激和/或用于以高时空分辨率感测对生物物理信号的生物响应的精确工具目前来说还十分有限。无机半导体显示出许多相关的电学和光学特性，它们可以被制造成广泛的电子和光子器件。无机半导体器件能够与从蛋白质到整个器官的生物材料形成功能界面。

在这篇综述中，芝加哥大学田博之教授等人讨论了基本的半导体物理和工作原理，重点是它们在生理条件下的行为，并强调了无机半导体在建立生物界面方面的优势。文章介绍了半导体器件的设计和合成，并讨论了生物电子和生物光子界面的典型信号转导机制，用于电子和光电传感、光电和光热刺激以及细胞和组织的光致发光体内成像。最后，作者评估了细胞毒性，并强调了应用于无机半导体器件的新材料成分和生物靶点。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41578-018-0062-3

Nat. Methods：类抗原呈递细胞的人工异质结构探测T细胞识别

T细胞是白细胞的一类，在介导癌症、感染和自身免疫性疾病的细胞免疫反应中发挥着核心作用。T细胞使用T细胞受体（TCRs）来识别抗原呈递细胞（APC）上主要组织相容性复合体（pMHCs）呈递的抗原肽，从而启动T细胞信号传导和相关免疫反应。此外，T细胞也可以用基因工程嵌合抗原受体（CAR）转导以识别肿瘤相关抗原（例如CD19）。在TCRs或CARs识别抗原后，T细胞增殖、分化并执行效应器功能，包括细胞因子分泌和靶细胞裂解。TCR-pMHC识别具有高度特异性。有效的T细胞反应依赖于高度多样化的TCR库来鉴定广泛的抗原，在单分子水平上全面了解TCR或CAR识别对于疫苗开发和细胞免疫治疗至关重要。然而，TCR和CAR识别的单分子研究需要对合成材料进行精确操作，这在目前已经超出了大多数现有人工APC工具包的范围。也就是说，目前还缺乏能够在单分子水平上操作检测T细胞的合成材料工具包。

芝加哥大学田博之教授和Jun Huang等人设计了一种可用于单细胞刺激和T细胞识别的仿生抗原呈递系统（bAPS）。该bAPS基于六足异质结构（hexapod heterostructure）构建而成，该结构由亚微米立方赤铁矿核心（α-Fe2O3）和具有不同表面修饰的纳米结构二氧化硅分支组成。展示了bAPS如何应用于研究T细胞的信号传导和生化-机械双重敏感性（表1）。使用玻璃微量移液管，可以通过六足分支在单细胞水平上以单分子分辨率操纵bAPS，以探测T细胞的生物化学敏感性（测定1）。我们还展示了磁场诱导的六足类动物旋转如何放大悬浮T细胞和CAR-T细胞的免疫反应。此外，我们将bAPS建立为一种精确且可扩展的方法，用于在单细胞水平上鉴定刺激性抗原特异性TCR。因此，我们的多模式bAPS代表了一种独特的生物界面工具，用于研究T细胞识别、信号传导和功能。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41592-023-02165-7#ref-CR12

Nat. Protocols：硅基材料的非遗传光学神经调节

光学控制的非遗传神经调控为神经回路的基础研究和神经疾病的临床治疗提供了一种很有前途的方法。在可以将光能转换为生物相关线索的现有候选材料中，硅（Si）由于其高度可调的电学和光学性质、易于制造成多种形式、吸收广谱光的能力以及生物相容性而特别有利。

芝加哥大学田博之教授和Yuanwen Jiang等人描述了硅基结构的合理设计原则、材料合成和器件制造的一般程序、评估材料光响应的通用方法、所用所有仪器的详细说明，以及细胞钙动力学、神经元兴奋性的光学控制非基因调节的演示，从小鼠脑切片释放神经递质以及使用上述Si材料在体内的小鼠脑中的脑活动。研究认为，该方法在未来也可以用于研究其他系统，如心血管组织和微生物群落。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41596-019-0135-9

Nat. Chem. Engineering：面到点式演变型生物界面

材料-生物界面是疾病诊断和治疗的基本要素。虽然单片生物接口更容易实现，但分布式和焦点接口往往更动态，侵入性更小。在此，芝加哥大学田博之教授、Jiping Yue和Petr Král等人使用天然存在的前体构建了一个可释放颗粒的水凝胶平台，该平台具有从单片到局部点状演变的生物界面。作者将单个颗粒嵌入响应性水凝胶基质中，然后转化为各种宏观形状，如绷带和生物电子-凝胶混合物，以增强宏观操作。颗粒可以从宏观形状中释放出来，并在体外和体内建立局部性生物粘附。研究证明了释放颗粒水凝胶可以有效治疗溃疡性结肠炎，治愈皮肤伤口，减少心肌梗死。此外，当颗粒释放水凝胶被纳入柔性心脏电生理标测设备中时，作者证明了设备操作和生物粘附性的改善。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s44286-023-00008-y

Sci. Adv.：为细菌装上“纳米光伏电机”

将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的活细胞集成，合成一种新的人工体系（“人工光细胞”），利用微生物的优异胞内催化能力将半导体吸收的光能转化为化学能，可潜在大幅提高人工光合作用的效率和特异性生产复杂化合物的能力，为光驱生物制造技术提供新的路径。然而，半导体材料吸收光能产生的是电子，细胞利用的能量为生物能（ATP和(NADP)H），因此必须将电子转化为生物能才能实现新技术路径。由于细胞膜磷脂双分子层绝缘性，致使半导体材料光生电子极难进入细胞，与胞内生物电子交汇并转化为生物能的效率低。因此如何将光生电子高效转化为细菌可用的生物能是目前亟需解决的问题。

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与芝加哥大学田博之课题组合作通过在大肠杆菌周质空间靶向合成半导体材料（纳米光伏颗粒），将半导体材料吸收光能产生的电子高效转化为细菌胞内的生物能。研究团队受自然界中材料-生物界面的启发，构思了在大肠杆菌的周质空间中定向合成CdS半导体材料，为其装上纳米光伏颗粒的外壳，合成新型生物界面的设计思路。具体来说，研究者在通过大肠杆菌在胞内利用半胱氨酸（Cys）合成H 2S, 因H 2S具有极高的膜通透性（比水分子高3个数量级），可快速扩散至周质空间并与摄入到周质空间的Cd 2+反应，形成相应的CdS纳米颗粒外壳。转录组还显示周质空间内合成CdS的细菌杂合体在光照的条件下，与氧化呼吸链相关的基因（包括甲酸脱氢酶、NADH脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、d -乳酸脱氢酶和葡萄糖脱氢酶）和ATP合成酶相关基因均显著上调，表明CdS吸收光能产生的电子加速了细菌氧化呼吸链电子传递速率，因此可提高ATP的合成。

文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg5858

Sci. Adv.：无标记独立硅纳米线的细胞摄取和动力学

在细胞长度范围内将电子设备与生物系统无缝融合的能力，对于探索新的基础细胞生物学和设计下一代治疗设备具有重大的价值。半导体纳米线由于其固有的尺寸和广泛的可配置性而非常适合实现这一目标。然而，目前的研究主要集中大尺寸纳米线器件，这些体积较大的基底缺乏使用纳米材料的许多优势。

芝加哥大学田博之教授等人证明了无标记的硅纳米线（SiNWs）可以被多个细胞系内化（96%摄取率），并经历主动的“类似爆发”的传输过程。研究结果表明，SiNWs主要通过内源性吞噬途径内化，而不是通过外源性操作，从而实现这些物质的细胞整合。为了研究这种行为，作者开发了一套稳健的方法，用于在单细胞和系综水平上以时间依赖的方式定量检查高纵横比纳米线-细胞的相互作用。这一研究为设计用于生物分子递送、细胞内传感和光响应疗法的设备提供了有价值的见解。

文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601039

Nat. Commun.：合金辅助沉积三维阵列原子金催化剂用于晶体生长研究

单原子在光滑表面上的大规模组装是极具挑战性的。在此，芝加哥大学田博之教授和阿贡国家实验室Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan等人证明了在经典的气-液-固生长中建立的液态金-硅合金可以在硅纳米线侧壁上沉积有序和三维的孤立金原子环。研究进行了从头算分子动力学模拟，揭示了一种意外的单原子金催化的硅化学蚀刻行为。在硅纳米线中对这种催化过程的实验验证产生了掺杂剂相关的、大质量的、有序3D凹槽，其间距低至~5 nm。最后，作者使用这些凹槽作为自标记和非原位标志物来解决几种复杂的硅生长，包括节点、扭结、鳞片状界面和弯曲主链的形成。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-017-02025-x

来源：BioMed科技

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