微纳医学与组织工程

戴小川

清华大学医学院助理教授

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探索人造生物电子器件与生物组织的理想界面和无缝融合系统

实验室主页:http://daigroup.org。​戴小川教授于2010年在北京大学获得化学学士学位,2015年在哈佛大学获得化学博士学位,师从美国四院院士Charles Lieber教授,之后分别在哈佛大学化学系、塔夫茨大学生物医学工程系、麻省理工学院电子工程系从事博士后研究。2020年11月,全职任教于清华大学,担任助理教授、特别研究员、博士生导师,建立活体生物电子学实验室。是Advanced Materials、Nano Letters等数十个核心期刊的特邀审稿人。戴小川教授多年来聚焦生物电子学与生物组织的理想界面问题,在纳米化学、生物电子学、组织工程与脑机接口等领域开展多学科交叉研究,取得了一系列成果,在Nature Nanotechnology、Nature Materials、PNAS、Advanced Materials、Nano Letters等期刊发表论文20余篇,申请发明专利4项。研究成果曾被Nature Nanotechnology、Nature Materials、Harvard Gazette、ABC报、Scientific American、Science Daily等学术刊物和媒体报道。

让人造生物电子器件与生物组织无缝融合,开创人-机共融的赛博格(Cyborg)组织与器官新体系

戴小川教授关注的主要问题是如何实现生物电子学与活体组织/动物在结构上的无缝融合以及在功能上的信号耦合,并为此发展了一种突破性的生物电子系统:一方面,它具有和天然组织支架相仿的结构与柔性,能够逃脱排异反应的发生;另一方面,它又能够以一种高分辨的、高稳定性的、高选择性的、多模态的方式测量和调控生物实体与过程,和生命体以生物学语言沟通。对这一类新型活体生物电子学的探索将会使我们能够构建赛博格组织(Cyborg Tissues),用于药物筛选或生理化学研究,或是可植入的活体电子传感器网络,阐释大脑的运行原理等。

戴小川实验室的主要研究方向包括:(1)类组织支架生物电子系统;(2)生物电、生物力、生物化学多模态活体传感器;(3)赛博格组织与器官;(4)活体脑机融合界面。

戴小川教授近年来研究成果包括:

· 类组织支架生物电子学

生物电子学自18世纪80年代创立以来已经孕育出无数重要科技成果,例如心电图、膜片钳、深度脑刺激技术等。活体生物电子学历经数十年发展,在高柔性、高时间空间分辨率、微型化与高集成度、高生物相容性等方面不断发展,在活体分析领域逐渐展现出其优势和独特性。然而,现有的生物电子传感器仍无法避免引起生物组织的排异反应或对生物组织的自然行为产生人为的干扰,这是限制生物电子传感器在活体环境中长期稳定应用的根本原因之一。为了使生物电子传感器更理想地契合生物组织柔性、动态且复杂的三维形貌,戴小川教授团队发展了一类模仿天然组织支架的柔性三维多孔生物纳米电路,凭借其独特的材料和微观结构,体现出高度的生物隐身性(Bio-stealthiness),能够实现与生物组织零排异的融合。人造生物电子学与活体组织/动物的无缝融合成为了可能。

· 赛博格组织(Cyborg Tissues

人造生物电子学工具与活体组织的无缝融合——即赛博格组织(Cyborg Tissues)的实现,是生物电子界面研究与组织器官工程研究完美交叉的产物,代表了硅基电子系统与碳基生命系统的和谐共融,为未来人造组织与器官提供了新思路。戴小川教授团队以类组织支架生物电子学为骨架培养了心脏组织,心肌细胞迎合生物电子支架生长并与之融合,同时重现了心肌组织发育和成熟过程,表现出与天然心肌组织相似的电生理行为。融合于组织内部的生物电子支架,通过纳米晶体管传感器对心脏组织的电生理信号进行了高分辨记录与人为调控。这一独特体系将会在组织工程、药物机理、电子治疗等领域展现出广泛的应用前景,为基础生命科学和临床医学研究提供全新的手段。

· 水凝胶栅极晶体管传感器

目前的植入式柔性纳米电子传感器多聚焦于测量生物物理信号,比如电位、电流、温度等,然而生命系统却更多依赖于丰富的生物化学信号。因此,为真正建立生物电子学与生物组织之间的理想交互界面,能够特异性识别生物化学信号的生物电子传感器至关重要。在活体环境中实现生物化学传感面临许多挑战,例如识别分子的快速失活、复杂的干扰背景、德拜屏蔽作用等。面对上述挑战,戴小川教授团队提出了水凝胶栅极晶体管的概念,并利用投影光聚合和光刻技术的结合得到了多功能水凝胶栅极晶体管阵列,最终成功在生理溶液中实现了多通道特异性的生物化学传感,为建立活体多模态生物电子-生物组织界面扫清了障碍,未来将会进一步拓展活体生命分析和精准医学的技术手段。

· 纳米嵌层镀膜技术

半导体纳米材料自发明以来就在信息科学、能源、健康医学等领域获得广泛关注,因其微小的尺寸、极大的比表面积、优良且可控的电学性能,使纳米电子器件成为一类重要的高灵敏度、高分辨率、低能耗的生物传感器,尤其是其在柔性生物医学传感器中的应用。然而,以硅为代表的无机半导体材料在生理溶液环境中稳定性差,成为限制活体生物电子器件发展与应用的重要瓶颈。戴小川教授团队发展了一种普适性的新方法用于提高纳米晶体管传感器在活体环境中的稳定性:纳米嵌层镀膜技术。能够将纳米硅晶体管传感器在生理环境中的稳定工作时间从7天提高至600天以上。这一新方法同时兼容多种无机半导体材料和柔性电子加工工艺,未来更能够进一步改写光伏、光电子、储能、信息存储等纳米器件在活体环境中的应用可能,极大地拓展智能活体分析和植入式生物医学器件的可能范围。

1.Hamed H. Bay#, Richard Vo#,Xiaochuan Dai#,*, Huan-Hsuan Hsu, Siran Cao, Zhiming Mo, Wenyi Li, Fiorenzo Omenetto, Xiaocheng Jiang*, “Hydrogel-gate graphene field effect transistors as multiplexed biosensors”,Nano Lett., 19, 2620–2626 (2019).

2.Xiaochuan Dai#, Wei Zhou#, Teng Gao, Jia Liu, Charles Lieber*, “Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues”,Nat. Nanotechnol., 11, 776–782 (2016).

3.Xiaochuan Dai#, Richard Vo#, Huan-Hsuan Hsu, Pu Deng, Xiaocheng Jiang*, “Modular design of hydrogel-gate field effect transistor biosensors”,Nano Lett., 19, 6658–6664 (2019).

4.Xiaochuan Dai, Guosong Hong, Teng Gao, Charles Lieber*, “Mesh nanoelectronics: Seamless integration of electronics with tissues”,Acc. Chem. Res., 51, 309-318 (2018).

5.Wei Zhou#,Xiaochuan Dai#, Tian-Ming Fu, Chong Xie, Jia Liu, Charles Lieber*, “Long-term stability of nanowire nanoelectronics in physiological environments”,Nano Lett., 14, 1614–1619 (2014).

6.Jia Liu#, Chong Xie#,Xiaochuan Dai#, Lihua Jin, Wei Zhou, Charles Lieber*, “Multi-functional three-dimensional macroporous nanoelectronic networks for smart materials”,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 110, 6694–6699 (2013).

学术荣誉与奖励

中国国家优秀自费留学生奖学金

北京大学学生五四奖章(北京大学学生最高荣誉)