香港城市大学张文军-史鹏：金刚石纳米针阵列的制备、表征与生物医学工程应用

近日，香港城市大学张文军教授团队和史鹏教授团队联合发表AMR述评文章“Exploring Diamond Nanoneedle Arrays: Fabrication and Emerging Applications in Biomedical Engineering”。文章总结了高深宽比金刚石纳米针阵列薄膜的制备和性能表征，以及在多种生物医学工程领域的应用研究成果，同时展望了该领域的发展前景。

关键词：金刚石；纳米针；制备；生物医学应用；细胞内递送

高深宽比和高密度的金刚石纳米针阵列材料具有独特的机械性能和化学稳定性，在多种活细胞操控和分析应用中表现出色，并展现了在生物医学领域巨大的应用潜力。

High-aspect-ratio and high-density DNNAs demonstrate promising potential for live cell manipulation and analysis, because of their unique combination of mechanical robustness, chemical stability, and well-forged bio-nano interfaces.

1 文章内容简介

金刚石纳米材料由于其独特的物理和化学性质，近年来引起了人们的极大兴趣。其优异的机械强度、化学稳定性、生物相容性和高导热性使其成为广泛生物医学应用的理想候选材料。包括纳米金刚石、金刚石薄膜和金刚石纳米针阵列（DNNAs）在内的各种材料已经被制造和使用，表现出显著的稳定性和低细胞毒性。特别是高深宽比和高密度的DNNAs在活细胞操作和分析方面表现出了巨大的潜力。然而，金刚石材料的物理和化学稳定性对其制备和功能化带来了挑战。

这一领域突破的关键是DNNAs的可控制备，并在纳米针结构的均匀性、可重复性和可扩展性方面取得了显著的进步。其独特的结构使得金刚石纳米针阵列已成为各种生物医学应用的新型多功能平台。通过化学修饰和表面的生物功能化，DNNAs提供了一种独特的生物纳米界面，其能够穿透细胞内部来检测细胞内分子，而不损害细胞的完整性。此外，这些纳米针的空间分布形貌使其能够在单细胞水平获得生物样品的空间分布异质性信息。

在本述评中，我们总结了本实验室在利用偏置辅助等离子体刻蚀制备高深宽比DNNAs方面的持续努力，该DNNAs随后被功能化并集成为各种生物医学应用的通用平台技术。述评首先阐明了偏压辅助等离子体蚀刻制备DNNAs的工作原理，随后展示了众多的生物医学应用。具体来说，我们证明了DNNAs在活细胞操控及检测中的卓越性能，特别是在多种类型细胞中的高效胞内递送、高通量活细胞内分子追踪以及时空转录组图谱方面的应用。最后，我们总结了尚未解决的挑战，强调在这一领域继续研究和创新的重要性，以进一步拓展DNNAs在生物医学工程和其他领域的变革潜力。

2 AMR：请问您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

基于功能化金刚石纳米针阵列的活细胞操控和分子靶标检测平台具有简单、高效、灵敏的特点和巨大的可延展性，在低成本、快速、高通量的转染和细胞原位检测方面具有显著的优势。未来，希望该领域能够吸引更多研究人员和临床医生的兴趣和参与，帮助解决实际临床应用中遇到的难题，发挥出其巨大的应用潜力。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

虽然现阶段金刚石纳米针在生物医学领域的应用研究已经取得了很多研究进展，但要使其在生物医学工程中得到更广泛的应用，仍存在一些挑战。

第一，需要进一步拓展金刚石纳米针的制备技术，以改善生物界面。随着对DNNAs的需求不断增加，需要在不影响纳米针均匀性的情况下解决批量生产的挑战。一方面，规则排列的金刚石纳米针阵列的制备对于有效地分析空间分辨异质性至关重要。另一方面，刚性、平面、不透明的DNNAs与生物系统之间存在明显的不匹配，有动力开发创新的合成方法使DNNAs和生物系统之间形成机械弹性界面。

第二，通过调控DNNAs的物理和化学性质，可以扩大其在生物医学领域的应用潜力，特别是在靶向药物递送和精确的细胞内传感。一方面，DNNAs的实时细胞监测能力可以促进先进生物传感器的发展，为细胞动力学提供前所未有的见解。另一方面，通过掺杂可以赋予DNNAs导电性能，这对于神经接口和生物传感器的应用尤其有利，允许DNNAs不仅在机械界面上，而且电子传递上与细胞环境相互作用。

第三，DNNAs与其它新技术的协同作用可能会产生新的平台技术。例如DNNAs与其他纳米材料（如大分子或水凝胶）的整合可以创建杂化结构，从而增强生物相容性，调控机械性能和特定生物功能，扩展其应用范围。此外，对于分子的可视化，结合新的成像和可视化方法将大大提高灵敏度和速度。例如，通过结合转盘共聚焦显微镜以提高成像速度，结合超分辨率显微镜来进一步提升分辨率至单分子水平等。此外，DNNAs与微流控器件、光遗传学和柔性电子学等先进技术之间的协同作用是未来研究的一个有前途的领域。这种协同作用可能导致多功能平台的发展，从而在细胞水平上实现同时诊断、治疗和监测。

作者团队简介

张文军，香港城市大学材料科学及工程学系讲座教授、化学系讲座教授、超金刚石及先进薄膜研究中心中心主任、工学院副院长、香港清洁能源研究院（HKICE）副院长。1994年毕业于兰州大学，获得博士学位。他曾在Fraunhofer表面工程和薄膜研究所（1995年至1997年）、香港城市大学（1997年至1998年）担任博士后。1998年至2000年，他在日本国家无机材料研究所担任科学技术机构研究员。他于2000年再次加入城大，担任高级研究员。他的研究重点是薄膜技术、纳米材料和器件。2002年获日本应用物理学会（JSAP）最佳论文奖，2003年获德国洪堡基金会Friedrich Wilhem Bessel研究奖，2015年获城大杰出研究奖，2019年获校长奖。张教授在德国Siegen大学任客座教授，兰州大学任萃英讲席教授，在苏州大学、合肥工业大学、中国科学院理化所、中国科学院深圳先进技术研究院等校任客座教授。至今已发表同行评议期刊论文400余篇。

史鹏，香港城市大学生物医学工程系教授，同时也是香港心脑血管健康工程研究中心（HKCOCHE）以及城大超金剛石及先進薄膜研究中心（COSDAF）的核心成员。曾先后在美国哥伦比亚大学，麻省理工学院从事生物传感器，生物芯片，以及高通量筛选技术的研究和系统开发，并致力于发展相关技术在神经生物学、生物电子学、脑科学等领域的应用。迄今，史鹏教授以通讯作者身份发表包括Nat. Rev. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS等国际一流学术期刊的论文70余篇，申报和获授权国际发明专利14项。曾在2010年获得美国Simons Foundation基金会的博士后研究奖，荣获2017年香港城市大学校长研究奖，2017、2019年城大优秀博士生导师，2018年世界文化理事会（World Cultural Council）优秀青年学者奖。

杨扬，中国科学院深圳先进技术研究院研究员。2012年获中国香港香港城市大学材料科学及工程学系博士学位。2012-2013年，在香港城市大学从事博士后工作。2013年9月加入中国科学院深圳先进技术研究院，2022年起任研究员。从事金刚石薄膜的制备、掺杂和表面修饰，及其在生物传感和分子检测、电化学催化、高性能涂层工具等多个领域的应用研究。主持国家自然科学基金面上项目（2项）、青年基金项目、广东省区域联合基金重点项目、深圳市学科布局等科研项目10余项。参与国家重点研发计划、广东省创新团队等项目。在Sci. Adv.，Nat. Commun., JACS, Adv. Mater.，ACS Energy Lett.，ACS Nano等期刊发表论文60余篇，授权中国发明专利29项，申请PCT专利4项。

王子迅，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员。2014年毕业于南开大学化学学院材料化学系，获理学学士学位。2019年于香港城市大学生物医学工程系获博士学位。2019-2021年于香港城市大学生物医学工程系从事博士后研究工作。2021年10月加入中国科学院苏州纳米所，任副研究员。长期致力于开发基于纳米结构的生物芯片检测平台，包括多种活细胞内递送系统和单细胞多维空间组学的即时检测系统，在Nat. Rev. Mater., Sci. Adv.，Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater. 等国际知名刊物上发表多篇论文。授权多项中美发明专利。主持国家自然科学基金青年基金项目，苏州市创新领军人才项目等科研项目。获得苏州市姑苏创新青年领军人才，江苏省“双创博士”等荣誉。

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Exploring Diamond Nanoneedle Arrays: Fabrication and Emerging Applications in Biomedical Engineering

Yang Yang, Zixun Wang, Peng Shi*, and Wenjun Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00212

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