Een KAIST-team presenteerde een zeer aanpasbare neurale stimulatiemethode. Het onderzoeksteam ontwikkelde een technologie die het warmtepatroon op micronschaal kan printen om biologische activiteiten op afstand te kunnen controleren. De onderzoekers integreerden een precisie-inkjetprinttechnologie met bio-functionele thermo-plasmonische nanodeeltjes om een ​​selectieve nano-fotothermische neurale stimulatiemethode te bereiken. Het onderzoeksteam van professor Yoonkey Nam van de afdeling Bio and Brain Engineering verwacht dat dit zal dienen als een ondersteunende technologie voor gepersonaliseerde precisie-neuromodulatietherapie voor patiënten met neurologische aandoeningen.

De nano-fotothermische neurale stimulatiemethode maakt gebruik van het thermoplasmonische effect van metalen nanodeeltjes om de activiteiten van neuronale netwerken te moduleren. Met het thermoplasmonische effect, metalen nanodeeltjes kunnen specifieke golflengten van verlicht licht absorberen om efficiënt gelokaliseerde warmte te genereren. Het onderzoeksteam ontdekte vier jaar geleden het remmende gedrag van spontane activiteiten van neuronen bij fotothermische stimulatie. Vanaf dat moment, ze hebben deze technologie ontwikkeld om hyperactief gedrag van neuronen en neurale circuits te controleren, die vaak wordt aangetroffen bij neurologische aandoeningen zoals epilepsie.

Om de beperking van de ruimtelijke selectiviteit en resolutie van de eerder ontwikkelde nano-fotothermische methode te overwinnen, het team heeft een inkjetprinttechnologie gebruikt om de plasmonische nanodeeltjes (enkele tientallen microns) te micropatroonen, en met succes aangetoond dat de nano-fotothermische stimulatie selectief kan worden toegepast volgens de afgedrukte patronen.

De onderzoekers pasten een laag-voor-laag coatingmethode van polyelektrolyt toe op het printen van substraten op een manier om de patroongetrouwheid te verbeteren en de uniforme assemblage van nanodeeltjes te bereiken. De elektrostatische aantrekking tussen de geprinte nanodeeltjes en het gecoate printsubstraat hielp ook de stabiliteit van de aangehechte nanodeeltjes. Omdat de polyelektrolytcoating biocompatibel is, biologische experimenten inclusief celcultuur zijn mogelijk met de technologie die in dit werk is ontwikkeld.

Met behulp van gedrukte gouden nanostaafjes met een resolutie van enkele tientallen microns over een gebied van enkele centimeters, de onderzoekers toonden aan dat zeer complexe warmtepatronen precies kunnen worden gevormd bij lichte verlichting volgens de afdrukafbeelding.

als laatste, het team bevestigde dat de afgedrukte warmtepatronen selectief en onmiddellijk de activiteiten van gekweekte hippocampale neuronen kunnen remmen bij verlichting van nabij-infraroodlicht. Omdat het drukproces toepasbaar is op dunne en flexibele substraten, de technologie kan eenvoudig worden toegepast op implanteerbare apparaten voor de behandeling van neurologische aandoeningen en draagbare apparaten. Door de warmtepatronen selectief toe te passen op alleen de gewenste celgebieden, aangepaste en gepersonaliseerde fotothermische neuromodulatietherapie kan op patiënten worden toegepast.

"Het feit dat elk gewenst warmtepatroon eenvoudig overal kan worden 'geprint', verbreedt de toepasbaarheid van deze technologie op veel technische gebieden. In bio-engineering, het kan worden toegepast op neurale interfaces met behulp van licht en warmte om fysiologische functies te moduleren. Als een andere technische toepassing, bijvoorbeeld, gedrukte warmtepatronen kunnen worden gebruikt als een nieuw concept van anti-namaaktoepassingen, " zei de hoofdonderzoeker, Yoonkey Nam bij KAIST.