In de campy sciencefictionfilm "Fantastic Voyage" uit 1966, " Wetenschappers miniaturiseren een onderzeeër met zichzelf erin en reizen door het lichaam van een collega om een ​​mogelijk dodelijke bloedstolsel te verbreken. Juist. Micro-mensen terzijde, stel je de ontsteking voor die metalen sub zou veroorzaken.

Ideaal, injecteerbare of implanteerbare medische hulpmiddelen moeten niet alleen klein en elektrisch functioneel zijn, ze moeten zacht zijn, zoals de lichaamsweefsels waarmee ze interageren. Wetenschappers van twee UChicago-laboratoria gingen op zoek of ze een materiaal konden ontwerpen met alle drie die eigenschappen.

Het materiaal dat ze bedachten, online gepubliceerd op 27 juni 2016, in Natuurmaterialen , vormt de basis van een ingenieus, door licht geactiveerd injecteerbaar apparaat dat uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt om zenuwcellen te stimuleren en het gedrag van spieren en organen te manipuleren.

"De meeste traditionele materialen voor implantaten zijn erg stijf en omvangrijk, vooral als u elektrische stimulatie wilt doen, " zei Bozhi Tian, een assistent-professor in de chemie wiens lab samenwerkte met dat van neurowetenschapper Francisco Bezanilla aan het onderzoek.

Het nieuwe materiaal, in tegenstelling tot, is zacht en klein - deeltjes met een diameter van slechts enkele micrometers (veel minder dan de breedte van een mensenhaar) die gemakkelijk in een zoutoplossing uiteenvallen, zodat ze kunnen worden geïnjecteerd. De deeltjes breken ook op natuurlijke wijze af in het lichaam na een paar maanden, dus er zou geen operatie nodig zijn om ze te verwijderen.

Nanoschaal 'spons'

Elk deeltje is opgebouwd uit twee soorten silicium die samen een structuur vormen vol poriën op nanoschaal, als een kleine spons. En als een spons, het is squishy - honderd tot duizend keer minder stijf dan het bekende kristallijne silicium dat wordt gebruikt in transistors en zonnecellen. "Het is vergelijkbaar met de stijfheid van de collageenvezels in ons lichaam, " zei Yuanwen Jiang, Tian's afgestudeerde student. "Dus we creëren een materiaal dat overeenkomt met de stijfheid van echt weefsel."

Het materiaal vormt de helft van een elektrisch apparaat dat zichzelf spontaan creëert wanneer een van de siliciumdeeltjes in een celcultuur wordt geïnjecteerd, of, eventueel, een menselijk lichaam. Het deeltje hecht zich aan een cel, het maken van een interface met het plasmamembraan van de cel. Die twee elementen samen - celmembraan plus deeltje - vormen een eenheid die stroom genereert wanneer er licht op het siliciumdeeltje schijnt.

"U hoeft niet het hele apparaat te injecteren; u hoeft slechts één component te injecteren, " Joao L. Carvalho-de-Souza , Bezanilla's postdoc zei. "Deze verbinding van één deeltje met het celmembraan zorgt voor voldoende stroomopwekking die kan worden gebruikt om de cel te stimuleren en zijn activiteit te veranderen. Nadat u uw therapeutische doel hebt bereikt, het materiaal degradeert op natuurlijke wijze. En als je weer therapie wilt doen, u doet nog een injectie."

De wetenschappers bouwden de deeltjes met behulp van een proces dat ze nano-casting noemen. Ze fabriceren een mal van siliciumdioxide die bestaat uit minuscule kanaaltjes - "nanodraden" - met een diameter van ongeveer zeven nanometer (minder dan 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar) verbonden door veel kleinere "microbruggen". In de mal injecteren ze silaangas, die de poriën en kanalen vult en uiteenvalt in silicium.

En dit is waar de dingen bijzonder sluw worden. De wetenschappers exploiteren het feit dat hoe kleiner een object is, hoe meer de atomen op het oppervlak zijn reacties domineren op wat er omheen is. De micro-bruggen zijn miniem, dus de meeste van hun atomen bevinden zich aan de oppervlakte. Deze interageren met zuurstof die aanwezig is in de siliciumdioxide mal, het creëren van microbruggen gemaakt van geoxideerd silicium dat is verkregen uit beschikbare materialen. De veel grotere nanodraden hebben verhoudingsgewijs minder oppervlakte-atomen, zijn veel minder interactief, en blijven meestal puur silicium.

"Dit is het mooie van nanowetenschap, Jiang zei. "Het stelt je in staat om chemische samenstellingen te manipuleren door simpelweg de grootte van dingen te manipuleren."

Web-achtige nanostructuur

Eindelijk, de schimmel is opgelost. Wat overblijft is een webachtige structuur van silicium nanodraden verbonden door microbruggen van geoxideerd silicium die water kunnen absorberen en helpen de structuur zachter te maken. Het pure silicium behoudt zijn vermogen om licht te absorberen.

De wetenschappers hebben de deeltjes toegevoegd aan neuronen in kweek in het laboratorium, scheen licht op de deeltjes, en zag stroom in de neuronen vloeien die de cellen activeert. De volgende stap is kijken wat er bij levende dieren gebeurt. Ze zijn vooral geïnteresseerd in het stimuleren van zenuwen in het perifere zenuwstelsel die verbonden zijn met organen. Deze zenuwen bevinden zich relatief dicht bij het oppervlak van het lichaam, zodat licht met een bijna-infrarode golflengte hen door de huid kan bereiken.

Tian stelt zich voor om de door licht geactiveerde apparaten te gebruiken om menselijk weefsel te manipuleren en kunstmatige organen te maken om beschadigde te vervangen. Momenteel, wetenschappers kunnen gemanipuleerde organen maken met de juiste vorm, maar niet met de ideale functie.

Om een ​​in een laboratorium gebouwd orgel goed te laten functioneren, ze zullen individuele cellen in het gemanipuleerde weefsel moeten kunnen manipuleren. Het injecteerbare apparaat zou een wetenschapper in staat stellen om dat te doen, het tweaken van een individuele cel met behulp van een strak gerichte lichtstraal, zoals een monteur die in een motor reikt en een enkele bout draait. De mogelijkheid om dit soort synthetische biologie te doen zonder genetische manipulatie is aanlokkelijk.

"Niemand wil dat hun genetica wordt veranderd, "Zei Tian. "Het kan riskant zijn. Er is behoefte aan een niet-genetisch systeem dat nog steeds het celgedrag kan manipuleren. Dit zou zo'n systeem kunnen zijn."

Tian's afgestudeerde student Yuanwen Jiang deed de materiaalontwikkeling en karakterisering van het project. Het biologische deel van de samenwerking vond plaats in het lab van Francisco Bezanilla, de Lillian Eichelberger Cannon hoogleraar biochemie en moleculaire biologie, door postdoc João L. Carvalho-de-Souza. Zij waren, zei Tian, de "helden" van het werk.