Grafen flager dyrkes på silicium nanotråde for at opnå overlegen ledningsevne. Kredit:Carnegie Mellon University College of Engineering
Et hold ledet af forskere ved Carnegie Mellon University har skabt en ny teknologi, der forbedrer videnskabsmænds evne til at kommunikere med neurale celler ved hjælp af lys. Tzahi Cohen-Karni, lektor i biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik, ledet et team, der syntetiserede tredimensionel fuzzy graphene på en nanotrådskabelon for at skabe et overlegent materiale til fototermisk stimulerende celler. NW-templated tredimensionel (3-D) fuzzy graphene (NT-3DFG) muliggør fjernoptisk stimulation uden behov for genetisk modifikation og bruger størrelsesordener mindre energi end tilgængelige materialer, forebygge cellulær stress.
Grafen er rigeligt, billig, og biokompatibel. Cohen-Karnis laboratorium har arbejdet med grafen i flere år, udvikle en teknik til at syntetisere materialet i 3-D topologier, som han har kaldt "fuzzy" grafen. Ved at dyrke todimensionale (2-D) grafen flager ud af flyet på en silicium nanotråd struktur, de er i stand til at skabe en 3D-struktur med bredbåndsoptisk absorption og uovertruffen fototermisk effektivitet.
Disse egenskaber gør den ideel til cellulær elektrofysiologisk modulering ved hjælp af lys gennem den optokapacitive effekt. Den optokapacitive effekt ændrer cellemembranens kapacitans på grund af hurtigt påførte lyspulser. NT-3DFG kan let laves i suspension, tillader undersøgelse af cellesignalering inden for og mellem både 2-D-cellesystemer og 3-D, ligesom menneskelige celle-baserede organoider.
Systemer som disse er ikke kun afgørende for at forstå, hvordan celler signalerer og interagerer med hinanden, men rummer også et stort potentiale for udvikling af nye, terapeutiske interventioner. Udforskning af disse muligheder, imidlertid, er blevet begrænset af risikoen for cellulær stress, som eksisterende optiske fjernbetjeningsteknologier præsenterer. Brugen af NT-3DFG eliminerer denne risiko ved at bruge betydeligt mindre energi, på en skala fra 1-2 størrelsesordener mindre. Dens biokompatible overflade er let at modificere kemisk, gør den alsidig til brug med forskellige celletyper og miljøer. Ved at bruge NT-3DFG, fototermiske stimuleringsbehandlinger kunne udvikles til motorisk rekruttering for at inducere muskelaktivering eller kunne styre vævsudvikling i et organoid system.
Nanotråde er i stand til at stimulere neuroner uden for cellemembranen. Kredit:Carnegie Mellon University College of Engineering
"Dette er et fremragende samarbejde mellem eksperter fra flere områder, herunder neurovidenskab gennem Pitt og UChicago, og fotonik og materialevidenskab gennem UNC og CMU, " sagde Cohen-Karni. "Den udviklede teknologi vil give os mulighed for at interagere med enten konstrueret væv eller med nerve- eller muskelvæv in vivo. Dette vil give os mulighed for at kontrollere og påvirke vævsfunktionalitet ved at bruge lys eksternt med høj præcision og lavt nødvendige energier."
Yderligere bidrag til projektet blev givet af Maysam Chamanzar, adjunkt i el- og computerteknik. Hans teams kerneekspertise inden for fotonik og neuroteknologier hjalp med at udvikle de hårdt tiltrængte værktøjer til at muliggøre både karakterisering af de unikke hybrid-nanomaterialer, og ved at stimulere cellerne, mens de optisk registrerer deres aktivitet.
Neuroner reagerer på optisk stimulus fra NT-3DFG nanostrukturer. Kredit:Carnegie Mellon University College of Engineering
"Bredbåndsabsorptionen af disse 3-D nanomaterialer gjorde det muligt for os at bruge lys ved bølgelængder, der kan trænge dybt ind i vævet for at eksternt excitere nerveceller. Denne metode kan bruges i en hel række af applikationer, fra design af ikke-invasiv terapi til grundlæggende videnskabelige undersøgelser, " sagde Chamanzar.
Holdets resultater er væsentlige både for vores forståelse af celleinteraktioner og udviklingen af terapier, der udnytter potentialet i den menneskelige krops egne celler. Nanostrukturer skabt ved hjælp af NT-3DFG kan have stor indflydelse på fremtiden for menneskelig biologi og medicin.