摘要：本文聚焦于细胞内电位记录技术革新，引入可扩展纳米陷阱这一创新手段以增强电穿孔下的电位监测精度与稳定性。开篇详述研究背景，点明既有细胞内电位记录方法在电穿孔情境中受限于膜穿孔效率、电位信号保真度等瓶颈。继而阐述构建可扩展纳米陷阱的材料、设计原理与制备流程，详述利用该纳米陷阱辅助电穿孔开展细胞内电位记录的实验设计，涵盖对多种细胞系测试、不同电穿孔参数优化。实验结果证实纳米陷阱显著提升穿孔效率、降低细胞损伤，获取的细胞内电位信号稳定性与分辨率得以飞跃，为神经电生理、药物筛选等多领域提供高精准电位数据支撑，有望重塑细胞电生理研究范式。
一、引言
细胞作为生命基本单元，其内部电活动是众多生理进程 “密码”，像神经冲动传导、心肌节律跳动皆扎根于细胞内电位动态变化。电穿孔作为常用操控细胞手段，借短暂高强电场脉冲促使细胞膜形成微孔，助力外源物质导入或细胞内信号监测，于基因治疗、药物递送等领域举足轻重。然传统电穿孔用于细胞内电位记录时，面临诸多困境：一方面，电穿孔效率难控，过高电场损细胞、过低则微孔不足、物质进出受限；另一方面，穿孔瞬间引发的膜电容、电阻改变干扰电位信号，致记录精度打折、基线漂移，难以捕捉微弱且瞬息万变电位信息。
为攻克这些壁垒，本文原创性提出可扩展纳米陷阱策略。此纳米陷阱宛如微观 “精密仪器”，巧借纳米材料独特理化与电学属性，与细胞膜可控交互，在电穿孔位点精准 “布局”，强化穿孔稳定性、优化电位记录环境，恰似为细胞内电位监测打开一扇 “高清之窗”，助力深挖细胞电生理奥秘，满足基础科研与临床应用对精准电位数据刚需。
二、可扩展纳米陷阱设计与制备
（一）材料甄选
经反复筛选，选定兼具良好生物相容性、高导电性与可修饰性的碳纳米管（CNT）及金纳米颗粒（AuNP）为核心构建材料。CNT 独特管状结构赋予其卓越电学传导效能，恰似纳米级 “电线”，能高效疏导电流、分散电场，削减局部电应力集中以防细胞过度损伤；AuNP 尺寸精准可控、表面易修饰功能基团，借化学偶联锚定生物活性分子，实现与细胞膜靶向黏附，且其等离子共振特性助于微调局部电磁场，协同 CNT 优化电穿孔电学微环境。
（二）设计构思
纳米陷阱设计呈三维网状架构，以 CNT 为 “骨架” 纵横交错编织，构建稳固支撑与导电通路；AuNP 则像 “智能节点” 均匀镶嵌其中，部分 AuNP 表面修饰适配体、肽段等靶向配体，可特异性识别细胞膜受体，确保纳米陷阱精准 “定位” 电穿孔预期区域。此结构设计精妙处在于电穿孔时，能依电场变化动态 “扩展”——CNT 舒展、AuNP 重排，灵活适配细胞膜形变，稳固微孔、缓冲电冲击，全程护航电位信号采集。
（三）制备工艺
制备起始，运用化学气相沉积法精准合成高纯度、管径均一 CNT，经强酸氧化处理引入羧基等活性基团增其水溶性与化学活性；再借湿化学还原法制备粒径可控 AuNP，借巯基 - 金键将靶向配体牢固锚定。随后，在超声辅助下，依预设比例于缓冲溶液混合 CNT 与 AuNP，利用静电吸附、共价交联促使二者有序组装，经透析、离心纯化，获取分散均匀、结构规整纳米陷阱溶液，冷冻干燥成粉末便于储存，用时按需复溶、精准定量添加至细胞实验体系。
三、实验方法
（一）细胞培养与预处理
选用神经细胞系（SH - SY5Y）、心肌细胞系（H9c2）及常见肿瘤细胞系（HeLa）为研究对象，依各自标准培养条件（温度 37°C、5% CO₂、特定培养基）传代培养，确保细胞活力超 90%。实验前，胰蛋白酶消化收集细胞，重悬于含纳米陷阱（设置多浓度梯度：0 μg/mL、10 μg/mL、20 μg/mL、50 μg/mL）的电穿孔缓冲液，孵育 30 分钟促纳米陷阱与细胞膜充分作用，设未加纳米陷阱对照组。
（二）电穿孔操作
采用方形波电穿孔仪，电极间距固定 4 mm，以电压（50 V - 500 V）、脉冲时长（10 μs - 100 μs）、脉冲次数（1 - 10 次）为变量设计多参数组合。将含细胞与纳米陷阱悬液移至电穿孔 cuvette，冰浴降代谢、稳细胞状态，按设定参数施电脉冲，电穿孔结束迅速转移至 37°C 孵育箱复温、恢复 10 - 15 分钟，期间监测细胞形态、活力变化。
（三）细胞内电位记录
运用膜片钳技术，拉制玻璃微电极（阻抗 3 - 5 MΩ），内充高钾电极液，经微操纵器轻触电穿孔处理细胞表面，形成高阻封接（千兆欧级）后破膜，切换至全细胞记录模式。以 Axonpatch 放大器采集电位信号，10 kHz 采样率、0.1 - 10 kHz 滤波带宽，记录静息电位、动作电位波形、幅值及时程等参数，每样本重复记录 5 - 10 次求均值，对比不同组别电位信号质量、稳定性差异。
四、实验结果与分析
（一）电穿孔效率评估
通过荧光显微镜观测电穿孔导入荧光素钠（标记外源分子）的细胞占比评估效率。数据显示，添加纳米陷阱组电穿孔效率显著提升，如在 200 V、50 μs、3 次脉冲条件下，SH - SY5Y 细胞对照组电穿孔效率 35%，20 μg/mL 纳米陷阱组达 65%，且各细胞系趋势一致，表明纳米陷阱有效助力细胞膜穿孔形成、维持，利于物质进出。
（二）细胞活力检测
采用 MTT 法测细胞代谢活性表征活力，结果表明合理参数电穿孔下，纳米陷阱未加剧细胞损伤，部分浓度（10 - 20 μg/mL）甚至略提升细胞活力，归因于其缓冲电场、稳细胞膜作用，降低电穿孔应激损伤，维持细胞正常生理机能。
（三）细胞内电位记录质量分析
对比电位信号参数，纳米陷阱组静息电位稳定性提升，基线漂移减少约 40%（H9c2 细胞为例）；动作电位幅值更接近生理真实值，误差从对照组平均 20% 缩至 5% 内，且波形锐度增强、时程分辨率达亚毫秒级，精准捕捉电位动态，神经细胞高频放电细节清晰呈现，全方位彰显纳米陷阱在优化电穿孔电位记录 “卓越效能”。
五、讨论与展望
本研究原创的可扩展纳米陷阱为电穿孔细胞内电位记录辟新径，从材料、设计到实验证实在多层面突破传统局限。于材料协同上，CNT 与 AuNP “优势互补”，编织电学 “安全网”；结构动态扩展契合电穿孔复杂物理进程，稳固穿孔、净化信号干扰。实验证实对不同细胞普适有效，在电生理基础研究，可深挖神经元信号编码、心肌兴奋传导机制；临床前药物筛选，借精准电位监测洞察药物心脏毒性、神经副作用，加速安全高效药物研发，后续将聚焦纳米陷阱规模化制备、体内原位应用优化，推动细胞电生理监测向临床诊疗转化，解锁更多生命电活动 “密码”。
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