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Piezoelectric nanoribbons for monitoring cellular deformations

材料科学 压电 去极化 光电子学 电压 纳米技术 生物物理学 复合材料 电气工程 生物 工程类
作者
Thanh D. Nguyen,Nikhil Deshmukh,John M. Nagarah,Tal Kramer,Prashant Purohit,Michael Berry,Michael C. McAlpine
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:7 (9): 587-593 被引量:185
标识
DOI:10.1038/nnano.2012.112
摘要

Methods for probing mechanical responses of mammalian cells to electrical excitations can improve our understanding of cellular physiology and function. The electrical response of neuronal cells to applied voltages has been studied in detail, but less is known about their mechanical response to electrical excitations. Studies using atomic force microscopes (AFMs) have shown that mammalian cells exhibit voltage-induced mechanical deflections at nanometre scales, but AFM measurements can be invasive and difficult to multiplex. Here we show that mechanical deformations of neuronal cells in response to electrical excitations can be measured using piezoelectric PbZr_xTi_(1-x)O_3 (PZT) nanoribbons, and we find that cells deflect by 1 nm when 120 mV is applied to the cell membrane. The measured cellular forces agree with a theoretical model in which depolarization caused by an applied voltage induces a change in membrane tension, which results in the cell altering its radius so that the pressure remains constant across the membrane. We also transfer arrays of PZT nanoribbons onto a silicone elastomer and measure mechanical deformations on a cow lung that mimics respiration. The PZT nanoribbons offer a minimally invasive and scalable platform for electromechanical biosensing.
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