Nyt biomateriale udviklet til injicerbar neuronal kontrol

I den campy science fiction-film fra 1966 "Fantastic Voyage, "forskere miniaturiserer en ubåd med sig selv inde og rejser gennem en kollegas krop for at bryde en potentielt dødelig blodprop. Højre. Mikro-mennesker til side, forestil dig den betændelse, som metal sub ville forårsage.

Ideelt set, injicerbare eller implanterbare medicinske anordninger bør ikke kun være små og elektrisk funktionelle, de skal være bløde, ligesom det kropsvæv, som de interagerer med. Forskere fra to UChicago-laboratorier satte sig for at se, om de kunne designe et materiale med alle disse tre egenskaber.

Det materiale, de fandt på, udgivet online den 27. juni 2016, i Naturmaterialer , danner grundlaget for en genial lysaktiveret injicerbar enhed, der i sidste ende kunne bruges til at stimulere nerveceller og manipulere musklers og organers adfærd.

"De fleste traditionelle materialer til implantater er meget stive og omfangsrige, især hvis du ønsker at lave elektrisk stimulation, " sagde Bozhi Tian, en adjunkt i kemi, hvis laboratorium samarbejdede med neuroforskeren Francisco Bezanillas laboratorium om forskningen.

Det nye materiale, i modsætning, er blød og lille - partikler kun få mikrometer i diameter (langt mindre end bredden på et menneskehår), der let spredes i en saltopløsning, så de kan injiceres. Partiklerne nedbrydes også naturligt inde i kroppen efter et par måneder, så ingen operation ville være nødvendig for at fjerne dem.

Nanoskala 'svamp'

Hver partikel er bygget af to typer silicium, der tilsammen danner en struktur fuld af porer i nanoskala, som en lille svamp. Og som en svamp, det er squishy - hundrede til tusind gange mindre stiv end det velkendte krystallinske silicium, der bruges i transistorer og solceller. "Det kan sammenlignes med stivheden af ​​kollagenfibrene i vores kroppe, " sagde Yuanwen Jiang, Tians kandidatstuderende. "Så vi skaber et materiale, der matcher stivheden af ​​ægte væv."

Materialet udgør halvdelen af ​​en elektrisk enhed, der skaber sig selv spontant, når en af ​​siliciumpartiklerne sprøjtes ind i en cellekultur, eller, til sidst, en menneskekrop. Partiklen binder sig til en celle, at skabe en grænseflade med cellens plasmamembran. Disse to elementer sammen - cellemembran plus partikel - danner en enhed, der genererer strøm, når lyset skinner på siliciumpartiklen.

"Du behøver ikke at injicere hele enheden, du skal bare injicere en komponent, " João L. Carvalho-de-Souza, Bezanillas postdoc sagde. "Denne enkeltpartikelforbindelse med cellemembranen tillader tilstrækkelig generering af strøm, der kan bruges til at stimulere cellen og ændre dens aktivitet. Når du har opnået dit terapeutiske mål, materialet nedbrydes naturligt. Og hvis du vil lave terapi igen, du laver en ny indsprøjtning."

Forskerne byggede partiklerne ved hjælp af en proces, de kalder nano-casting. De fremstiller en siliciumdioxidform sammensat af bittesmå kanaler - "nano-tråde" - omkring syv nanometer i diameter (mindre end 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår) forbundet med meget mindre "mikrobroer". I formen injicerer de silangas, som fylder porerne og kanalerne og nedbrydes til silicium.

Og det er her, tingene bliver særligt snedige. Forskerne udnytter det faktum, at jo mindre et objekt er, jo mere dominerer atomerne på dens overflade dens reaktioner på det, der er omkring den. Mikrobroerne er små, så de fleste af deres atomer er på overfladen. Disse interagerer med ilt, der er til stede i siliciumdioxidformen, skabe mikrobroer lavet af oxideret silicium hentet fra materialer ved hånden. De meget større nanotråde har forholdsmæssigt færre overfladeatomer, er meget mindre interaktive, og forbliver for det meste rent silicium.

"Dette er skønheden ved nanovidenskab, " sagde Jiang. "Det giver dig mulighed for at konstruere kemiske sammensætninger blot ved at manipulere størrelsen af ​​ting."

Web-lignende nanostruktur

Endelig, formen er opløst. Tilbage er en netlignende struktur af siliciumnano-tråde forbundet af mikrobroer af oxideret silicium, der kan absorbere vand og være med til at øge strukturens blødhed. Det rene silicium bevarer sin evne til at absorbere lys.

Forskerne har tilføjet partiklerne til neuroner i kultur i laboratoriet, lyste lys på partiklerne, og set strøm strømme ind i neuronerne, som aktiverer cellerne. Det næste skridt er at se, hvad der sker i levende dyr. De er særligt interesserede i at stimulere nerver i det perifere nervesystem, der forbinder til organer. Disse nerver er relativt tæt på kroppens overflade, så nær-infrarødt bølgelængdelys kan nå dem gennem huden.

Tian forestiller sig at bruge de lysaktiverede enheder til at konstruere menneskeligt væv og skabe kunstige organer til at erstatte beskadigede. I øjeblikket, videnskabsmænd kan lave konstruerede organer med den korrekte form, men ikke den ideelle funktion.

For at få et laboratoriebygget organ til at fungere korrekt, de skal være i stand til at manipulere individuelle celler i det konstruerede væv. Den injicerbare enhed ville tillade en forsker at gøre det, finjustere en individuel celle ved hjælp af en stramt fokuseret lysstråle som en mekaniker, der rækker ind i en motor og drejer en enkelt bolt. Muligheden for at lave denne form for syntetisk biologi uden genteknologi er lokkende.

"Ingen ønsker, at deres genetik skal ændres, "Sagde Tian." Det kan være risikabelt. Der er behov for et ikke-genetisk system, der stadig kan manipulere celleadfærd. Det kunne være den slags system."

Tians kandidatstuderende Yuanwen Jiang stod for materialeudviklingen og karakteriseringen af ​​projektet. Den biologiske del af samarbejdet blev udført i laboratoriet hos Francisco Bezanilla, Lillian Eichelberger Cannon professor i biokemi og molekylærbiologi, af postdoc João L. Carvalho-de-Souza. De var, sagde Tian, værkets "helte".