Tværfaglig tilgang gør det muligt at forbinde biologiske materialer og elektroniske enheder

En af de største udfordringer inden for kognitive eller rehabiliterende neurovidenskaber er evnen til at designe et funktionelt hybridsystem, der kan forbinde og udveksle information mellem biologiske systemer, som neuroner i hjernen, og menneskeskabte elektroniske enheder. En stor tværfaglig indsats af forskere i Italien samlede fysikere, kemikere, biokemikere, ingeniører, molekylærbiologer og fysiologer til at analysere biokompatibiliteten af ​​det substrat, der bruges til at forbinde disse biologiske og menneskeskabte komponenter, og undersøge funktionaliteten af ​​de vedhæftende celler, at skabe et levende biohybridsystem.

I en artikel, der vises i denne uge i AIP forskud , forskergruppen brugte interaktionen mellem lys og stof til at undersøge de materielle egenskaber på molekylært niveau ved hjælp af Raman -spektroskopi, en teknik, der indtil nu, er hovedsageligt blevet anvendt til materialevidenskab. Takket være koblingen af ​​Raman -spektrometeret med et mikroskop, spektroskopi bliver et nyttigt værktøj til undersøgelse af mikroobjekter såsom celler og væv. Raman-spektroskopi giver klare fordele for denne type undersøgelse:Den molekylære sammensætning og modifikationen af ​​subcellulære rum kan opnås under mærkefrie forhold med ikke-invasive metoder og under fysiologiske forhold, muliggør undersøgelse af en lang række biologiske processer både in vitro og in vivo.

Når substratets biokompatibilitet blev analyseret og funktionaliteten af ​​de vedhæftende celler undersøgt, den næste del af dette puslespil er at forbinde med den elektroniske komponent. I dette tilfælde blev der brugt en memristor.

"Dets navn afslører dets ejendommelighed (MEMory ResISTOR), den har en slags "hukommelse":afhængigt af mængden af ​​spænding, der tidligere har været påført den, det er i stand til at variere sin modstand, på grund af en ændring af dets mikroskopiske fysiske egenskaber, "sagde Silvia Caponi, en fysiker ved det italienske nationale forskningsråd i Rom. Ved at kombinere memristorer, det er muligt at oprette stier inden for de elektriske kredsløb, der fungerer i lighed med de naturlige synapser, som udvikler variabel vægt i deres forbindelser til at reproducere den adaptive/læringsmekanisme. Lag af organiske polymerer, ligesom polyanilin (PANI) en halvlederpolymer, har også memristive egenskaber, giver dem mulighed for at arbejde direkte med biologiske materialer i et hybrid bio-elektronisk system.

"Vi anvendte analysen på en hybrid bioinspireret enhed, men i en fremadrettet udsigt, dette arbejde giver beviset på konceptet for en integreret undersøgelse, der er i stand til at analysere status for levende celler i en lang række applikationer, der fusionerer nanovidenskab, neurovidenskab og bioelektronik, " sagde Caponi. Et naturligt langsigtet mål med dette arbejde ville være at forbinde maskiner og nervesystemer så problemfrit som muligt.

Det tværfaglige team er klar til at bygge videre på dette principbevis for at realisere potentialet i memristor -netværk.

"Når vi havde sikret biokompatibiliteten af ​​de materialer, som neuroner vokser på, sagde Caponi, "vi ønsker at definere materialerne og deres funktionaliseringsprocedurer for at finde den bedste konfiguration for neuron-memristor-grænsefladen for at levere et fuldt fungerende hybrid bio-memristivt system."