随着半導體(tǐ)工(gōng)業的蓬勃發展，人們關于無機半導體(tǐ)材料物(wù)理化學性質的知(zhī)識已經相當豐富，也因此發展出了一(yī)整套成熟的器件加工(gōng)工(gōng)藝。除了在電(diàn)子行業的廣泛應用外(wài)，許多無機半導體(tǐ)材料還具有良好的生(shēng)物(wù)相容性，從而拓展了這類材料器件在生(shēng)命科學和醫學領域的應用。早期的開(kāi)創性研究包括哈佛大(dà)學Charles Lieber組發展的利用矽納米線場效應管測量局部生(shēng)物(wù)電(diàn)信号，西北(běi)大(dà)學John Rogers組開(kāi)發的基于柔性矽膜的表皮電(diàn)子器件和可生(shēng)物(wù)降解器件，以及加州大(dà)學伯克利分(fēn)校Paul Alivisatos組開(kāi)展的基于量子點光緻發光現象的生(shēng)物(wù)熒光成像。除了可以接受生(shēng)物(wù)信号來實現監測和傳感外(wài)，近年的研究表明，無機半導體(tǐ)材料還可以向生(shēng)物(wù)體(tǐ)系輸入信号（電(diàn)學，熱學，力學等）來調控生(shēng)物(wù)體(tǐ)本身的行爲，例如加州大(dà)學伯克利分(fēn)校的楊培東組提出的基于無機半導體(tǐ)材料（矽納米線，量子點等）的人工(gōng)光合作用，以及芝加哥大(dà)學田博之組開(kāi)展的基于矽基生(shēng)物(wù)材料（介孔矽顆粒，矽納米線，柔性矽膜等）的光控神經調制技術。
【成果簡介】
該領域前期的研究主要着眼于材料和器件本身的性能優化上，而材料和生(shēng)物(wù)界面問題的重要性則往往被忽視。事實上，越來越多的研究指出，确保材料和生(shēng)物(wù)體(tǐ)系在力學性質和物(wù)理尺寸上的匹配，以及合理設計跨越界面的信号或能量流動的模式才是實現高效的功能性生(shēng)物(wù)界面的基礎。近日，在國際著名期刊Nature Reviews Materials上，芝加哥大(dà)學田博之組發表了題爲Inorganic semiconductor biointerfaces的綜述文章，系統得歸納了現有的無機半導體(tǐ)材料生(shēng)物(wù)界面的特性，以及其在生(shēng)物(wù)物(wù)理和生(shēng)物(wù)醫學方面的應用。在本文中(zhōng)，作者們首先讨論了半導體(tǐ)物(wù)理的基礎知(zhī)識和半導體(tǐ)器件的工(gōng)作原理，并且着重強調了其在生(shēng)理條件下(xià)相比于傳統固态條件下(xià)工(gōng)作特點的不同之處。随後，作者們總結了各種常見的無機半導體(tǐ)材料的合成和器件加工(gōng)工(gōng)藝，包括各種可能的零維，二維，二維和三維體(tǐ)系。最後，基于不同生(shēng)物(wù)電(diàn)子學和生(shēng)物(wù)光子學器件在生(shēng)物(wù)界面上的信号傳導機理，作者們将已有的研究分(fēn)成了如下(xià)幾大(dà)類，包括電(diàn)學和光電(diàn)生(shēng)物(wù)傳感，光電(diàn)和光熱生(shēng)物(wù)刺激以及光緻發光生(shēng)物(wù)成像，并且分(fēn)别給出了對應的事例分(fēn)析。最後，作者們提議未來的研究應當對材料的生(shēng)物(wù)相容性進行系統的定量分(fēn)析，并且指出了一(yī)些未來材料發展方向以及與其相關的重要生(shēng)物(wù)學問題。本文的第一(yī)作者爲原芝加哥大(dà)學化學系博士生(shēng)，現斯坦福大(dà)學化工(gōng)系博士後蔣圓聞，通訊作者爲芝加哥大(dà)學化學系田博之教授。
【圖文導讀】
圖1：一(yī)些将無機半導體(tǐ)材料和器件用于生(shēng)物(wù)研究的裏程碑。詳見前言。
圖2：無機半導體(tǐ)和生(shēng)理液體(tǐ)界面的材料物(wù)理總結。
（a）直接和間接帶隙半導體(tǐ)的能帶結構區别。（b）常見半導體(tǐ)價帶導帶相對于真空能級和生(shēng)理條件下(xià)氧化還原電(diàn)對的位置。（c）半導體(tǐ)和電(diàn)解質界面的能帶彎曲現象以及受其影響的光生(shēng)載流子的流動。
圖3：常見無機半導體(tǐ)器件的工(gōng)作原理。
（a）場效應管（b）pn結（c）光伏器件（d）發光二極管。
圖4：各種維度的半導體(tǐ)材料和器件以及其可能形成生(shēng)物(wù)界面類型。
（a）零維量子點可以用于人工(gōng)光合作用和标記細胞内主動運輸過程。（b）一(yī)維納米線可以用于細胞内電(diàn)生(shēng)理記錄和促進微生(shēng)物(wù)燃料電(diàn)池。（c）二維薄膜可以用于加工(gōng)瞬态電(diàn)子學器件和非遺傳光電(diàn)神經刺激。（d）三維介觀結構可以用來實現多功能細胞探針和類組織檢測網絡。（e）生(shēng)物(wù)電(diàn)子學和生(shēng)物(wù)光子學界面包括電(diàn)學檢測，光電(diàn)檢測，光電(diàn)刺激，光熱刺激和光緻發光成像等。
圖5：各種跨越生(shēng)物(wù)界面的信号傳導模式。
（a）①場效應管可以用來檢測局部分(fēn)析物(wù)濃度和細胞膜電(diàn)位②光電(diàn)二極管可以用來檢測生(shēng)物(wù)發光過程③光伏器件可以通過光電(diàn)容或光電(diàn)化學過程來刺激細胞行爲④發光二極管結合光遺傳技術可以用來直接刺激細胞⑤載流子符合産生(shēng)的熱能可以用于改變細胞膜電(diàn)容以實現細胞刺激⑥納米尺度的無機半導體(tǐ)材料可以被細胞内吞，從而實現細胞内功能界面。（b）光電(diàn)容（隻涉及雙電(diàn)容充放(fàng)電(diàn)）和光電(diàn)化學（包括界面氧化還原反應）過程的區别。
【小(xiǎo)結和展望】
無機半導體(tǐ)材料和器件由于其多樣的物(wù)理化學性質，良好的可加工(gōng)性和生(shēng)物(wù)相容性，已經被廣泛得用于生(shēng)物(wù)物(wù)理學研究和生(shēng)物(wù)醫學應用中(zhōng)。本文詳細得讨論了無機半導體(tǐ)材料器件的合成加工(gōng)和工(gōng)作原理，深入得總結了跨越生(shēng)物(wù)界面的各種信号傳遞機理，爲此後的研究打下(xià)了堅實的基礎。盡管如此，在材料生(shēng)物(wù)的界面上仍然有許多尚未完全回答的問題需要新的手段來進行深入的研究。新近開(kāi)發的表征技術包括高速原子力顯微學，瞬态光譜，冷凍離(lí)子束刻蝕，高速超分(fēn)辨顯微學等手段都可能得到前所未有的關于生(shēng)物(wù)界面的高精度結構和功能信息。除此之外(wài)，新型的材料合成手段也可能爲生(shēng)物(wù)界面提供新的機遇。舉例來說，結合基因工(gōng)程和生(shēng)物(wù)礦化過程或許能夠定點定向得在特定細胞内腔室處合成具有特定形貌的納米半導體(tǐ)材料用于高精度生(shēng)物(wù)檢測或者高效能生(shēng)物(wù)調控。最後，除了傳統的電(diàn)學活性的生(shēng)物(wù)體(tǐ)系外(wài)，還有許多新的對象可以用無機半導體(tǐ)材料和器件來進行研究，包括細胞骨架的結構和基于運動蛋白(bái)的主動運輸過程，微生(shēng)物(wù)群落内通訊，以及胚胎發育過程等。