DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-025-01148-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644958
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Ao Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الدور الحاسم للأجهزة البيوإلكترونية المتقدمة، وخاصة تلك التي تستخدم المواد النانوية ذات الأبعاد المنخفضة، في معالجة قيود الطرق التقليدية لمراقبة النشاط الكهربائي الفسيولوجي في خلايا القلب. تعتبر الأمراض القلبية الوعائية، وهي سبب رئيسي للوفيات، تتطلب مراقبة دقيقة على المدى الطويل لفهم آليات المرض وتقييم فعالية العلاجات. تواجه التقنيات التقليدية، مثل تقنية التثبيت الكهربائي والتصوير الضوئي، تحديات تتعلق بالتداخل، وسرعة المعالجة، وموثوقية الإشارة. بالمقابل، توفر الواجهات البيوإلكترونية ثلاثية الأبعاد، وخاصة الهياكل النانوية ذات البعد الواحد مثل الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية، تحسينًا في اقتران الأقطاب الكهربائية بالخلايا وتسجيلات داخل الخلايا عالية الدقة، مما يجعلها مناسبة للدراسات طويلة الأمد.
تسلط المراجعة الضوء على التقدم في تخليق ودمج هذه الهياكل النانوية، فضلاً عن تطبيقاتها في علم كهرباء القلب، بما في ذلك فحص سمية الأدوية ونمذجة الأمراض. على الرغم من التقدم الكبير، لا تزال هناك تحديات في تحقيق أداء قابل للتكرار واستقرار طويل الأمد لهذه الأجهزة. إن توحيد عمليات التصنيع وتحسين خصائص المواد أمران أساسيان لنقل هذه التقنيات من نماذج المختبر إلى أدوات مستخدمة على نطاق واسع. تشمل الاتجاهات المستقبلية دمج هذه المنصات مع تقنيات مكملة، مثل CMOS، لتعزيز قدراتها للتطبيقات على نطاق واسع. في النهاية، الهدف هو تطوير مصفوفات نانوية مرنة ومتوافقة حيويًا يمكنها مراقبة وظيفة الخلايا في الجسم الحي، مما يسد الفجوة بين الدراسات في المختبر والأهمية الفسيولوجية.
مقدمة
تشكل الأمراض القلبية الوعائية (CVDs) تحديًا صحيًا عالميًا كبيرًا، حيث كانت السبب الرئيسي للوفيات في عام 2022 مع حوالي 19.8 مليون حالة وفاة. تضاعف انتشار الأمراض القلبية الوعائية تقريبًا في العقدين الماضيين، خاصة في البلدان ذات الدخل المتوسط، مما زاد من تفاقمها بسبب شيخوخة السكان وعوامل الخطر المرتبطة بنمط الحياة. بالإضافة إلى ذلك، تسهم سمية الأدوية الناتجة عن الأدوية في فشل تطوير الأدوية في المراحل المتأخرة، مما يبرز الحاجة إلى منصات في المختبر محسنة تحاكي بدقة فسيولوجيا القلب البشرية. تعتبر الطرق التقليدية لدراسة كهرباء القلب، مثل تقنية التثبيت الكهربائي، دقيقة، لكنها تتسم بالتداخل وانخفاض سرعة المعالجة. تواجه الطرق البديلة مثل التصوير الضوئي ومصفوفات الأقطاب الدقيقة (MEAs) قيودًا في التقاط ديناميات جهد العمل السريعة والحفاظ على الأهمية الفسيولوجية.
تقدم التقدمات الحديثة في النانو-بيوإلكترونيات، وخاصة استخدام الهياكل النانوية ذات البعد الواحد (1D)، حلولًا واعدة لهذه التحديات. تعزز هذه الهياكل النانوية الاقتران بين الأقطاب الكهربائية وخلايا القلب، مما يسمح بتسجيلات داخل الخلايا عالية الدقة التي تلتقط الشكل الكامل لموجة جهد العمل، بما في ذلك الديناميات الحرجة تحت العتبة. تعتبر هذه القدرة ضرورية لتقييم وظيفة قنوات الأيونات ومخاطر عدم انتظام ضربات القلب، خاصة عند تطبيقها على خلايا مشتقة من البشر، مما يمكن أن يتجاوز الاختلافات بين الأنواع الموجودة في نماذج الحيوانات. تستكشف المراجعة بشكل منهجي تخليق ودمج هذه الهياكل النانوية في أجهزة وظيفية، وتناقش أساليب التوصيف متعددة الأبعاد، وتسلط الضوء على تطبيقاتها في فحص الأدوية ونمذجة الأمراض، مع مراعاة الاتجاهات المستقبلية في هذا المجال، مثل دمج CMOS والمنصات البيوإلكترونية المرنة.
طرق
في قسم الطرق، يناقش المؤلفون استراتيجيات التخليق للمواد ذات الأبعاد المنخفضة المستخدمة في كهرباء القلب، مع التأكيد على أهمية التخليق من الأسفل إلى الأعلى. تتيح هذه الطريقة البناء الدقيق للوحدات الوظيفية الأساسية لأجهزة الاستشعار الكهربائية على المستوى الذري أو الجزيئي، مما يسهل النمو المنضبط للمواد النانوية بأبعاد محددة، وأشكال، ووظائف من خلال تنظيم دقيق للتفاعلات الكيميائية.
يحدد المؤلفون مسارين تكنولوجيين رئيسيين لإنتاج المواد ذات الأبعاد المنخفضة المناسبة للواجهات البيوإلكترونية عالية الأداء: التخليق في الطور البخاري والتخليق في الطور السائل. تعتبر هذه الطرق أساسية لتطوير قدرات الأجهزة البيوإلكترونية، كما هو موضح في الشكل المرافق. إن الاختيار الدقيق وتطبيق هذه التقنيات التخليقية أمران حاسمان لتحسين أداء أجهزة الاستشعار الكهربائية.
نقاش
يسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على نهجين رئيسيين لتخليق الهياكل النانوية: طرق الطور البخاري وطرق الطور السائل، كل منهما له مزايا وتطبيقات مميزة. يتيح التخليق في الطور البخاري، وخاصة من خلال تقنيات مثل نمو البخار-السائل-الصلب (VLS) والترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، إنتاج هياكل نانوية بلورية عالية النقاء ضرورية للأجهزة الإلكترونية عالية الأداء. يُلاحظ أن VLS يتميز بقدرته على التحكم في القطر، والطول، والخصائص الإلكترونية للأسلاك النانوية ذات البعد الواحد (1D)، مما يجعله حيويًا لتطبيقات مثل ترانزستورات تأثير الحقل (FETs). من ناحية أخرى، تستخدم طرق الطور السائل، التي تتميز بظروف أكثر اعتدالًا وفعالية من حيث التكلفة، عمليات كيميائية رطبة وتقنيات مساعدة على القوالب لتصنيع الأقطاب الكهربائية الوظيفية والواجهات ذات المساحة السطحية العالية. تتيح هذه الطرق التحكم الدقيق في الشكل وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب أقطاب كهربائية سلبية لتسجيلات داخل الخلايا على المدى الطويل.
يناقش القسم أيضًا استراتيجيات التصنيع للأجهزة النانوية الإلكترونية ثلاثية الأبعاد (3D)، مع التأكيد على أهمية دمج المواد ذات الأبعاد المنخفضة في منصات قابلة للتوسع ووظيفية. توفر الأساليب من الأعلى إلى الأسفل، التي تتضمن إزالة المواد الانتقائية من الركائز الكبيرة، توافقًا مع العمليات التقليدية لأشباه الموصلات واستقرارًا ميكانيكيًا عاليًا. بالمقابل، توفر الاستراتيجيات من الأسفل إلى الأعلى تحكمًا على المستوى الذري في خصائص المواد ولكن تواجه تحديات في التكامل على نطاق واسع. يتم تسليط الضوء على تقنيات التصنيع الهجينة التي تجمع بين كلا النهجين لقدرتها على الاستفادة من نقاط القوة لكل منهما، مما يؤدي إلى هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد متقدمة مع أداء معزز. يختتم النقاش بالتأكيد على ضرورة التوصيف الشامل للأجهزة واستراتيجيات الوصول الفعالة داخل الخلايا لضمان أداء موثوق في تطبيقات كهرباء الخلايا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-025-01148-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644958
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Ao Li et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
The section discusses the critical role of advanced bioelectronic devices, particularly those utilizing low-dimensional nanomaterials, in addressing the limitations of conventional methods for monitoring electrophysiological activity in cardiomyocytes. Cardiovascular diseases, a leading cause of mortality, necessitate accurate long-term monitoring to understand disease mechanisms and evaluate therapeutic efficacy. Traditional techniques, such as patch clamping and optical imaging, face challenges related to invasiveness, throughput, and signal fidelity. In contrast, three-dimensional bioelectronic interfaces, especially one-dimensional nanostructures like nanowires and nanotubes, offer improved electrode-cell coupling and high-fidelity intracellular recordings, making them suitable for long-term studies.
The review highlights advancements in the synthesis and integration of these nanostructures, as well as their applications in cardiac electrophysiology, including drug cardiotoxicity screening and disease modeling. Despite significant progress, challenges remain in achieving reproducible performance and long-term stability of these devices. Standardizing manufacturing processes and optimizing material properties are essential for transitioning these technologies from laboratory prototypes to widely used tools. Future directions include the integration of these platforms with complementary technologies, such as CMOS, to enhance their capabilities for large-scale applications. Ultimately, the goal is to develop flexible, biocompatible nanoprobe arrays that can monitor cellular function in vivo, thereby bridging the gap between in vitro studies and physiological relevance.
Introduction
Cardiovascular diseases (CVDs) pose a significant global health challenge, being the leading cause of mortality in 2022 with approximately 19.8 million deaths. The prevalence of CVDs has nearly doubled in the past two decades, particularly in middle-income countries, exacerbated by aging populations and lifestyle-related risk factors. Additionally, drug-induced cardiotoxicity contributes to late-stage drug development failures, highlighting the need for improved in vitro platforms that accurately mimic human cardiac physiology. Traditional methods for studying cardiac electrophysiology, such as the patch-clamp technique, while precise, are invasive and low throughput. Alternative methods like optical imaging and microelectrode arrays (MEAs) face limitations in capturing rapid action potential dynamics and maintaining physiological relevance.
Recent advancements in nano-bioelectronics, particularly the use of one-dimensional (1D) nanostructures, offer promising solutions to these challenges. These nanostructures enhance the coupling between electrodes and cardiomyocytes, allowing for high-fidelity intracellular recordings that capture the full action potential waveform, including critical subthreshold dynamics. This capability is crucial for assessing ion channel function and proarrhythmic risk, especially when applied to human-derived cells, which can circumvent interspecies differences inherent in animal models. The review systematically explores the synthesis and integration of these nanostructures into functional devices, discusses multimodal characterization approaches, and highlights their applications in drug screening and disease modeling, while also considering future directions in the field, such as CMOS integration and flexible bioelectronic platforms.
Methods
In the section on methods, the authors discuss synthesis strategies for low-dimensional materials utilized in electrophysiology, emphasizing the importance of bottom-up synthesis. This approach allows for the precise construction of core functional units of electrophysiological sensors at the atomic or molecular level, facilitating the controlled growth of nanomaterials with specific dimensions, morphologies, and functionalities through meticulous regulation of chemical reactions.
The authors identify two primary technological pathways for producing low-dimensional materials suitable for high-performance bioelectronic interfaces: vapor-phase synthesis and solution-phase synthesis. These methods are foundational for advancing the capabilities of bioelectronic devices, as illustrated in the accompanying figure. The careful selection and application of these synthesis techniques are crucial for optimizing the performance of electrophysiological sensors.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights two primary approaches for synthesizing nanostructures: vapor-phase and solution-phase methods, each with distinct advantages and applications. Vapor-phase synthesis, particularly through techniques like vapor-liquid-solid (VLS) growth and chemical vapor deposition (CVD), enables the production of high-purity crystalline nanostructures essential for high-performance electronic devices. VLS is particularly noted for its ability to control the diameter, length, and electronic properties of one-dimensional (1D) nanowires, making it vital for applications such as field-effect transistors (FETs). Conversely, solution-phase methods, characterized by milder conditions and cost-effectiveness, utilize wet-chemical processes and template-assisted techniques to fabricate functional electrodes and high-surface-area interfaces. These methods allow for precise morphological control and are widely used in applications requiring passive electrodes for long-term intracellular recordings.
The section also discusses fabrication strategies for three-dimensional (3D) nanoelectronic devices, emphasizing the importance of integrating low-dimensional materials into scalable and functional platforms. Top-down approaches, which involve selective material removal from bulk substrates, offer compatibility with conventional semiconductor processes and high mechanical stability. In contrast, bottom-up strategies provide atomic-level control over material properties but face challenges in large-scale integration. Hybrid fabrication techniques that combine both approaches are highlighted for their ability to leverage the strengths of each, resulting in advanced 3D nanoelectrode architectures with enhanced performance. The discussion concludes by underscoring the necessity of comprehensive device characterization and effective intracellular access strategies to ensure reliable performance in cellular electrophysiology applications.