他硕士毕业被破格授予博士学位，Nature/Science大满贯! 最新成果：吃土可以治疗肠炎一e测试

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他硕士毕业被破格授予博士学位，Nature/Science大满贯! 最新成果：吃土可以治疗肠炎

2022-10-28 17:22:33 0 274

一、背景介绍

今天介绍一位世界级顶尖科学家，田博之教授。

田博之（Bozhi Tian）出生于一个艺术世家，他的父亲是一位书法家，目前已撰写了十几本关于中国书法艺术的教育书籍。从小在艺术氛围中熏陶，田博之对书法自是有一种无以名状的情结。他从三岁起跟随父亲练习书法，六岁时又开始学习绘画，对艺术的热情让他希望长大后成为一名设计师。不过这种想法在他十四岁时悄然发生了改变，田博之走火入魔般爱上了科学，特别是化学，直至现在他还能清楚地记得当时实验室中的实验演示给他带来的视觉震撼，指示剂奇妙地发生颜色变化时，他的内心也出现了微妙的改变。他希望有一天自己可以将自然科学与热衷的三维图形结合起来，去做一些他未曾想过的事。

他的科研之路要从1998年说起，那年，他从西安交通大学附属中学毕业，被保送到复旦大学化学系本硕（3+3）连读。并师从赵东元院士。6年间，他发表科学论文25篇，以第一作者发表了包括Nature Materials在内的6篇论文，同时还获得7项第一发明人专利，最终被复旦大学破格授予博士学位。同年获得哈佛大学全额奖学金，师从全美十大最有影响力的科学家、美国科学院院士Charles M. Lieber，出站后任教于芝加哥大学化学系。主要研究方向为人造细胞交互、 细胞组织纳电子研究、仿生纳米材料与设备开发等。曾被美国麻省理工学院评委2012年度“世界顶尖青年创新家”，2016年被美国总统奥巴马授予的“青年科学家总统奖”。同年也获得了“斯隆研究奖”。谷歌学术显示目前他的h指数为57，i10指数107，清一色的高质量论文，被引17000多次，堪称真正的大科学家！

田博之从复旦大学毕业后来到美国哈佛大学Charles M. Lieber实验室开始他的研究工作。他设计了一种柔性三维纳米场效应晶体管生物探针，这种可以介入细胞内的扭结结构能基于数字电子技术直接探测到神经元放电及心脏跳动时的电生理反应。

如今就职于美国芝加哥大学，他的研究方向是设计新型的半导体器件来深入了解并调控细胞信号及电传导通路。最近，他又发展了一种新的方法来制备带有棘突的椎骨形硅纳米线，相比于常规的柱状纳米线，这种特殊设计可以更好地粘附于神经细胞，提高测量的可重现性。

下面主要介绍一下他几篇代表论文。

二、研究成果

1. 近日《Nature Chemistry》:吃土可以治疗肠炎！

微生物群落及其定殖环境之间的相互作用介导了从生物地球化学循环到人体健康稳态的关键途径。在这里，芝加哥大学田博之教授课题组报道了一个由纳米结构矿物、淀粉颗粒和液态金属组成的土壤化学系统。通过自下而上的合成，土壤启发的化学系统可以实现微生物群落的化学再分配和调节。作者通过三维X射线荧光、光学层析成像和电子显微镜成像对复合材料进行了表征，确认其与土壤的结构相似性。研究还证明，激光辐照形成的合成后修饰导致了从原子到宏观水平的化学异质性。受土壤启发的材料具有化学、光学和机械响应能力，在电气性能方面具有写入-擦除功能。该复合物还可以增强体外微生物培养/生物膜生长和生物燃料生产。最后，研究表明，受土壤启发的系统丰富了肠道细菌多样性，纠正了四环素诱导的肠道微生物群失调，并改善了体内啮齿动物模型中右旋糖酐硫酸钠诱导的啮齿动物结肠炎症状。相关研究工作以“A soil-inspired dynamically responsive chemical system for microbial modulation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Chemistry》上。

通过人工合成的方法构建由蒙脱土（天然土壤成分，俗称“观音土”）、淀粉颗粒和液态金属三种组分组成的土壤仿生材料，这种材料具有调控微生物功能的特质，不仅能提高微生物合成化学品的效率，还能够调节肠道，在生物制造和生物医药领域有着应用潜力。有媒体幽默评论说：看来“吃土”的不一定是没钱还有可能是得了肠炎。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41557-022-01064-2

2. 2007年Nature: 一种新型同轴硅纳米线太阳能电池

太阳能电池是清洁和可再生能源的有吸引力的候选材料；随着小型化发展，它们也可以用作纳米电子系统的集成电源。纳米结构或纳米结构材料的使用代表了降低成本和尺寸以及提高光伏效率的一般方法。纳米粒子、纳米棒和纳米线已用于提高聚合物和染料敏化太阳能电池中的电荷收集效率，以证明载流子倍增，此外，最近的理论研究表明，相对于相同材料的单晶块状半导体，同轴纳米线结构可以改善载流子收集和整体效率。然而，基于混合纳米结构的太阳能电池效率相对较低，稳定性较差。此外，之前的研究还没有涉及到它们在纳米电子学中作为光伏功率元件的应用。在这里，哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组报道了p型/本征/n型（p-i-n）同轴硅纳米线太阳能电池的实现。在一个太阳能当量（1-sun）照明下，p-i-n硅纳米线元件的最大功率输出为每根纳米线器件200 pW，表观能量转换效率高达3.4%，在高通量照明下可实现稳定和改进的效率。此外，作者研究还表明，单个和互连的硅纳米线光伏元件可以作为强大的电源来驱动功能性纳米电子传感器和逻辑门。这些同轴硅纳米线光伏元件为研究光诱导能量/电荷传输和人工光合作用提供了一个新的纳米级测试平台，并可能被广泛用作超低功率电子和各种纳米系统的供电元件。相关研究工作以“Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。田博之为第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/nature06181

3. 2010年Science: 三维柔性纳米级场效应晶体管作为定位生物探针

在上一篇Nature研究中，硅纳米线可将太阳能转化为电能，同时它们的体积又足够小，可以集成到纳米器件中。当时，这一成果得到了广泛关注。然而，他没有就此止步，而是选择改变研究方向，去探索纳米器件在生物科学领域的应用。

2010 年，田博之在Science上面发表了第一篇从材料科学到生物科学的标志性跨界论文。

纳米线和纳米管电子器件已被用于生物标记物的超灵敏检测和细胞的高分辨率细胞外记录。然而，由于这些器件的几乎所有示例都是在平面衬底上创建的，因此，使用典型的纳米电子器件（纳米级场效应晶体管（nanoFET））进行局部化和可调谐三维（3D）感测和记录尚未得到证明。

理想情况下，与其迫使细胞与衬底一致，具有必要的源极（S）和漏极（D）电连接的可移动纳米FET可以与细胞接触，并在细胞膜内探测。然而，将纳米FET微创插入到单个细胞或甚至3D细胞网络的受限3D空间中是一个重大挑战，因为S和D通常控制整个器件尺寸，并定义平面和刚性结构，而不管纳米FET是在衬底上还是悬浮在衬底上方。

尽管几乎所有的工作都集中在平面器件设计上，但纳米电子器件为询问生物系统提供了巨大的潜力。哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组通过合成集成一个纳米级场效应晶体管（nanoFET）提供了一个完整的存储系统，从而实现了这一功能，而这些存储系统是由存储在存储系统中的数据组成的。远程多层互连允许三维(3D)探头显示。通过控制相邻扭结之间的顺式和反式晶体构象，设计和合成了锐角探针几何形状，并通过调制掺杂对纳米FET进行了局部化。3D纳米FET探针在水溶液中表现出电导和灵敏度，与大的机械偏转无关，并表现出高pH敏感性。此外，用磷脂双层修饰的3D纳米探针可以进入单个细胞，从而能够可靠地记录细胞内电位。相关研究工作以“Three-Dimensional, Flexible Nanoscale Field-Effect Transistors as Localized Bioprobes”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。田博之为第一作者。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1192033

4. Nature Materials: 具有强光电化学性能的纯硅多孔基异质结

柔性生物电子器件广泛应用于生物工程应用，包括药物递送、生理感应和生物电调节。该领域的进展几乎消除了生物力学失配的挑战；然而，大多数柔性生物电子器件的引线仍与潜在的并发症相关，例如感染、血栓形成和解剖位置限制。脉冲红外激光已被用于诱导光热效应，这允许神经和心脏组织调制；然而，所需的高功率密度和水的红外激光吸收阻碍了治疗的实施。作为另一种选择，光遗传学已成功用于体内神经调节和心脏安抚，但对基因操作的需要将限制其临床翻译。无铅生物可吸收装置使用磁感应来执行神经再生药物和心脏安抚，而超声波换能器则实现无铅神经调节。另一种无铅调节方法涉及应用半导体材料，该材料可以收集光并将光转换为电或光电刺激。这些设计大多依赖于光电二极管配置，其中p–n或p–i–n结是通过连续层中的掺杂变化产生的。此外，为了产生足够的光电流，硅p-i-n结的表面必须用金属装饰，并且需要高功率密度的光，这限制了它们的治疗效用。

同质结和异质结在场效应晶体管、太阳能电池、光电探测器和发光二极管等半导体器件中发挥着重要作用。半导体结最近被用于通过光电或光电化学机制光学触发生物调制。异质结的形成通常涉及具有不同掺杂或成分的材料，这导致高成本、复杂的制造和生物界面的潜在副作用。

在这里，芝加哥大学田博之教授等人展示了基于孔隙率的异质结，一个在材料科学中被忽视的系统，可以从半导体表面产生有效的光电化学响应。使用自限染色蚀刻，作者在环境条件下在几秒钟内在p型硅中创建了纳米多孔/非多孔、软-硬异质结。表面氧化后，异质结在盐水中产生强烈的光电化学反应。在没有任何互连或金属修饰的情况下，异质结能够以与光遗传学相当的光功率和近红外能力对离体大鼠心脏和体内坐骨神经进行有效的非遗传光电刺激。相关研究工作以“Porosity-based heterojunctions enable leadless optoelectronic modulation of tissues”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01249-7

田博之教授一贯秉承谦逊温和、细致入微的态度做人做事，面对科学研究中的种种挫折与困难，他又可以做到宠辱不惊。所谓“谦谦君子，温润如玉”，这种处世态度或许与他年轻时的艺术涵养有关，与此同时也为他在科学研究中带来丰富的灵感。芝加哥大学的Andrei Tokmakoff教授如是评价田博之，称他具有化腐朽为神奇的本领，可以匠心独运地为普通的材料与装置赋予非凡的性能，极力推动了生物电子学领域的发展，是真正意义上的跨学科专家。

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