一種新型的分層結(jié)構(gòu)生物混合摩擦納米發(fā)電機HB-TENG系統(tǒng)

摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）最早由王中林院士提出，TENG器件通過兩個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)，可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能來收集微小的機械能。

目前TENG作為前端柔性傳感器，被廣泛運用于微小信號檢測領(lǐng)域，包括人體運動檢測、心臟細(xì)胞生物傳感和單個細(xì)菌中鞭毛運動的檢測。然而，用于大規(guī)模小動物模型的生物混合TENG系統(tǒng)尚未實現(xiàn)。

近日，中山大學(xué)林旭東課題組開發(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（HB-TENG）系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了微流體室和摩擦電層，用于對自由移動的秀麗隱桿線蟲進行大規(guī)模、實時和無標(biāo)記的行為學(xué)評估。

這種生物混合的HB-TENG系統(tǒng)首次實現(xiàn)了將秀麗隱桿線蟲在爬行過程中引起的機械變形高效轉(zhuǎn)導(dǎo)為電信號，結(jié)合自制的多通道記錄系統(tǒng)或商用示波器，這些電信號被進一步記錄并以高通量和高靈敏度的方式反映動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)百個整體生物的電輸出。通過信息分析，HB-TENG系統(tǒng)能夠預(yù)測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，尤其是推進藥物研發(fā)的速度。

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

HB-TENG系統(tǒng)設(shè)計與制造

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，而使得電子在兩個原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，研究人員設(shè)計并制造了聚二甲基硅氧烷（PDMS）層和銅芯之間的微小間隙。

通過對銅網(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/納米級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此增加兩個摩擦層的接觸面積，并實現(xiàn)更高的TENG輸出信號和更好的系統(tǒng)檢測靈敏度。

為了確保器件的高檢測效率，研究人員探究了在不同加熱時間下形成的微小間隙大小（圖2d-f），最終確定設(shè)計制造的TENG薄膜的兩個摩擦層間距約為3 μm（圖2g）。 為了感知動物行為引起的微尺度變形，研究人員通過微柱陣列微流控層的設(shè)計對動物運動進行轉(zhuǎn)化。

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

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)檢測以毫米/厘米為單位的人體運動變形不同，線蟲在運動中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)僅以微米為單位。研究人員對器件進行了各種模擬和實驗測試以全面評估TENG系統(tǒng)作為監(jiān)測自由運動動物的這種微運動的體內(nèi)平臺的效果。

首先，通過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)線蟲以正弦方式通過微流體室時，線蟲身體會擠壓彎曲微柱并引起偏轉(zhuǎn)（圖3a）。在機械模擬中，彎曲力被簡化為水平力，范圍從幾微牛頓到幾十毫牛頓，接近新近報道的實驗水平。當(dāng)水平力作用在特定柱子上時，它會引起柔性PDMS層上部的垂直反射（圖3b-3d）。

研究人員通過改變垂直反射作為作用水平力的函數(shù)改變水平力來調(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，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）。

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

如圖3g所示，當(dāng)施加5 mN的力時，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，使這種分層結(jié)構(gòu)的生物混合摩擦電納米發(fā)電機陣列具有高靈敏度。

此外，如果沒有銅網(wǎng)表面的納米結(jié)構(gòu)，TENG的輸出也將大大降低（圖3h-j）。 為了進一步測試HB-TENG系統(tǒng)的靈敏度，使用納米壓痕儀將微牛頓級的力施加到HB-TENG平臺中的單個微柱上。即使在大約200 μN 的極小力作用下，器件也實現(xiàn)了25.0 ± 02.200 mV電勢，這表明HB-TENG 對微小變形/力具有良好的靈敏度（圖3k）。

當(dāng)秀麗線蟲加入HB-TENG系統(tǒng)中，與沒有動物在系統(tǒng)內(nèi)所測得的對照組信號相比，可以清楚地檢測到具有不同幅度和不規(guī)則極性的電勢的脈沖輸出（圖3l）。此外，電輸出可以很容易地通過系統(tǒng)中的化學(xué)刺激進行調(diào)制，并同時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，適用于秀麗隱桿線蟲的行為評估。

圖3 HB-TENG器件的物理性能

體內(nèi)使用HB-TENG系統(tǒng)進行藥物篩選

研究人員隨機選擇了濃度為100 μM的多種化合物并用HB-TENG系統(tǒng)進行篩選。為了進一步剖析秀麗隱桿線蟲對藥物治療的反應(yīng)行為活動，從振幅和頻率方面分析了HB-TENG系統(tǒng)記錄的原始電信號（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)類抗抑郁藥，與其他化合物相比，誘導(dǎo)的信號幅度最高；黃藤素能夠減緩線蟲的行為活動從而導(dǎo)致振幅顯著降低；氯氮平是抗精神病藥之一，由圖可見顯著增加了電尖峰的頻率。

此外，實驗人員還研究了信號包絡(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，研究人員采用無監(jiān)督分類方法定義藥物的功能簇。

對于每種藥物，收集了來自20次獨立藥物測試的指紋，包括信號包絡(luò)和FFT模式，并形成了一個多類型數(shù)據(jù)集。然后，使用一種結(jié)合多個高斯內(nèi)核的方法來學(xué)習(xí)37種藥物數(shù)據(jù)集中每對指紋之間的相似性度量，并進一步地實現(xiàn)分層聚類。

圖4 使用HB-TENG系統(tǒng)記錄藥物影響的秀麗隱桿線蟲的電信號，并對藥理學(xué)信號結(jié)果進行評估

在本研究中，聚類分析在無監(jiān)督下鑒定了八個簇，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)中識別出的聚類彼此相距相對較遠（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，每個單獨的指紋簇中對于本簇內(nèi)藥物存在實質(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道在體外/體內(nèi)具有抗氧化特性，在此次測試中，他們都聚集在第2組中（圖5c）。值得注意的是，一些結(jié)構(gòu)相似的化合物通過其識別的指紋成功地進行了區(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)疾病（圖5f）。但據(jù)報道，帕馬汀的藥代動力學(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