摘要：本文聚焦于細胞內電位記錄技術革新，引入可擴展納米陷阱這一創新手段以增強電穿孔下的電位監測精度與穩定性。開篇詳述研究背景，點明既有細胞內電位記錄方法在電穿孔情境中受限于膜穿孔效率、電位信號保真度等瓶頸。繼而闡述構建可擴展納米陷阱的材料、設計原理與制備流程，詳述利用該納米陷阱輔助電穿孔開展細胞內電位記錄的實驗設計，涵蓋對多種細胞系測試、不同電穿孔參數優化。實驗結果證實納米陷阱顯著提升穿孔效率、降低細胞損傷，獲取的細胞內電位信號穩定性與分辨率得以飛躍，為神經電生理、藥物篩選等多領域提供高精準電位數據支撐，有望重塑細胞電生理研究范式。
細胞作為生命基本單元，其內部電活動是眾多生理進程 “密碼”，像神經沖動傳導、心肌節律跳動皆扎根于細胞內電位動態變化。電穿孔作為常用操控細胞手段，借短暫高強電場脈沖促使細胞膜形成微孔，助力外源物質導入或細胞內信號監測，于基因治療、藥物遞送等領域舉足輕重。然傳統電穿孔用于細胞內電位記錄時，面臨諸多困境：一方面，電穿孔效率難控，過高電場損細胞、過低則微孔不足、物質進出受限；另一方面，穿孔瞬間引發的膜電容、電阻改變干擾電位信號，致記錄精度打折、基線漂移，難以捕捉微弱且瞬息萬變電位信息。
為攻克這些壁壘，本文原創性提出可擴展納米陷阱策略。此納米陷阱宛如微觀 “精密儀器”，巧借納米材料更好理化與電學屬性，與細胞膜可控交互，在電穿孔位點精準 “布局”，強化穿孔穩定性、優化電位記錄環境，恰似為細胞內電位監測打開一扇 “高清之窗”，助力深挖細胞電生理奧秘，滿足基礎科研與臨床應用對精準電位數據剛需。
經反復篩選，選定兼具良好生物相容性、高導電性與可修飾性的碳納米管（CNT）及金納米顆粒（AuNP）為核心構建材料。CNT 更好管狀結構賦予其優異電學傳導效能，恰似納米級 “電線”，能高效疏導電流、分散電場，削減局部電應力集中以防細胞過度損傷；AuNP 尺寸精準可控、表面易修飾功能基團，借化學偶聯錨定生物活性分子，實現與細胞膜靶向黏附，且其等離子共振特性助于微調局部電磁場，協同 CNT 優化電穿孔電學微環境。
納米陷阱設計呈三維網狀架構，以 CNT 為 “骨架” 縱橫交錯編織，構建穩固支撐與導電通路；AuNP 則像 “智能節點” 均勻鑲嵌其中，部分 AuNP 表面修飾適配體、肽段等靶向配體，可特異性識別細胞膜受體，確保納米陷阱精準 “定位” 電穿孔預期區域。此結構設計精妙處在于電穿孔時，能依電場變化動態 “擴展”——CNT 舒展、AuNP 重排，靈活適配細胞膜形變，穩固微孔、緩沖電沖擊，全程護航電位信號采集。
制備起始，運用化學氣相沉積法精準合成高純度、管徑均一 CNT，經強酸氧化處理引入羧基等活性基團增其水溶性與化學活性；再借濕化學還原法制備粒徑可控 AuNP，借巰基 - 金鍵將靶向配體牢固錨定。隨后，在超聲輔助下，依預設比例于緩沖溶液混合 CNT 與 AuNP，利用靜電吸附、共價交聯促使二者有序組裝，經透析、離心純化，獲取分散均勻、結構規整納米陷阱溶液，冷凍干燥成粉末便于儲存，用時按需復溶、精準定量添加至細胞實驗體系。
選用神經細胞系（SH - SY5Y）、心肌細胞系（H9c2）及常見腫瘤細胞系（HeLa）為研究對象，依各自標準培養條件（溫度 37°C、5% CO?、特定培養基）傳代培養，確保細胞活力超 90%。實驗前，胰蛋白酶消化收集細胞，重懸于含納米陷阱（設置多濃度梯度：0 μg/mL、10 μg/mL、20 μg/mL、50 μg/mL）的電穿孔緩沖液，孵育 30 分鐘促納米陷阱與細胞膜充分作用，設未加納米陷阱對照組。
采用方形波電穿孔儀，電極間距固定 4 mm，以電壓（50 V - 500 V）、脈沖時長（10 μs - 100 μs）、脈沖次數（1 - 10 次）為變量設計多參數組合。將含細胞與納米陷阱懸液移至電穿孔 cuvette，冰浴降代謝、穩細胞狀態，按設定參數施電脈沖，電穿孔結束迅速轉移至 37°C 孵育箱復溫、恢復 10 - 15 分鐘，期間監測細胞形態、活力變化。
運用膜片鉗技術，拉制玻璃微電極（阻抗 3 - 5 MΩ），內充高鉀電極液，經微操縱器輕觸電穿孔處理細胞表面，形成高阻封接（千兆歐級）后破膜，切換至全細胞記錄模式。以 Axonpatch 放大器采集電位信號，10 kHz 采樣率、0.1 - 10 kHz 濾波帶寬，記錄靜息電位、動作電位波形、幅值及時程等參數，每樣本重復記錄 5 - 10 次求均值，對比不同組別電位信號質量、穩定性差異。
通過熒光顯微鏡觀測電穿孔導入熒光素鈉（標記外源分子）的細胞占比評估效率。數據顯示，添加納米陷阱組電穿孔效率顯著提升，如在 200 V、50 μs、3 次脈沖條件下，SH - SY5Y 細胞對照組電穿孔效率 35%，20 μg/mL 納米陷阱組達 65%，且各細胞系趨勢一致，表明納米陷阱有效助力細胞膜穿孔形成、維持，利于物質進出。
采用 MTT 法測細胞代謝活性表征活力，結果表明合理參數電穿孔下，納米陷阱未加劇細胞損傷，部分濃度（10 - 20 μg/mL）甚至略提升細胞活力，歸因于其緩沖電場、穩細胞膜作用，降低電穿孔應激損傷，維持細胞正常生理機能。
對比電位信號參數，納米陷阱組靜息電位穩定性提升，基線漂移減少約 40%（H9c2 細胞為例）；動作電位幅值更接近生理真實值，誤差從對照組平均 20% 縮至 5% 內，且波形銳度增強、時程分辨率達亞毫秒級，精準捕捉電位動態，神經細胞高頻放電細節清晰呈現，全方面彰顯納米陷阱在優化電穿孔電位記錄 “優異效能”。
本研究原創的可擴展納米陷阱為電穿孔細胞內電位記錄辟新徑，從材料、設計到實驗證實在多層面突破傳統局限。于材料協同上，CNT 與 AuNP “優勢互補”，編織電學 “安全網”；結構動態擴展契合電穿孔復雜物理進程，穩固穿孔、凈化信號干擾。實驗證實對不同細胞普適有效，在電生理基礎研究，可深挖神經元信號編碼、心肌興奮傳導機制；臨床前藥物篩選，借精準電位監測洞察藥物心臟毒性、神經副作用，加速安全高效藥物研發，后續將聚焦納米陷阱規模化制備、體內原位應用優化，推動細胞電生理監測向臨床診療轉化，解鎖更多生命電活動 “密碼”。
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