Een team onder leiding van onderzoekers van de Carnegie Mellon University heeft een nieuwe technologie ontwikkeld die het vermogen van wetenschappers om met behulp van licht te communiceren met neurale cellen verbetert. Tzahi Cohen-Karni, universitair hoofddocent biomedische technologie en materiaalkunde en techniek, leidde een team dat driedimensionaal fuzzy grafeen synthetiseerde op een nanodraadsjabloon om een ​​superieur materiaal te creëren voor fotothermisch stimulerende cellen. NW-template driedimensionaal (3-D) fuzzy grafeen (NT-3DFG) maakt optische stimulatie op afstand mogelijk zonder genetische modificatie en gebruikt ordes van grootte minder energie dan beschikbare materialen, cellulaire stress te voorkomen.

Grafeen is overvloedig aanwezig, goedkoop, en biocompatibel. Cohen-Karni's lab werkt al enkele jaren met grafeen, het ontwikkelen van een techniek om het materiaal te synthetiseren in 3D-topologieën die hij "fuzzy" grafeen noemt. Door tweedimensionale (2-D) grafeenvlokken uit het vlak te laten groeien op een silicium nanodraadstructuur, ze zijn in staat om een ​​3D-structuur te creëren met breedband optische absorptie en ongeëvenaarde fotothermische efficiëntie.

Deze eigenschappen maken het ideaal voor cellulaire elektrofysiologische modulatie met behulp van licht door het optocapacitieve effect. Het optocapacitieve effect verandert de capaciteit van het celmembraan door snel toegepaste lichtpulsen. NT-3DFG kan gemakkelijk in suspensie worden gemaakt, waardoor de studie van celsignalering binnen en tussen zowel 2D-celsystemen als 3D mogelijk is, zoals op menselijke cellen gebaseerde organoïden.

Systemen als deze zijn niet alleen cruciaal om te begrijpen hoe cellen met elkaar communiceren en communiceren, maar hebben ook een groot potentieel voor de ontwikkeling van nieuwe, therapeutische interventies. Verkenning van deze mogelijkheden, echter, is beperkt door het risico van cellulaire stress dat bestaande optische afstandsbedieningstechnologieën aanwezig zijn. Het gebruik van NT-3DFG elimineert dit risico door aanzienlijk minder energie te verbruiken, op een schaal van 1-2 ordes van grootte minder. Het biocompatibele oppervlak is eenvoudig chemisch aan te passen, waardoor het veelzijdig is voor gebruik met verschillende celtypes en omgevingen. Met behulp van NT-3DFG, fotothermische stimulatiebehandelingen zouden kunnen worden ontwikkeld voor motorrekrutering om spieractivatie te induceren of zouden weefselontwikkeling in een organoïde systeem kunnen sturen.

"Dit is een uitstekend samenwerkingswerk van experts uit meerdere vakgebieden, inclusief neurowetenschap via Pitt en UChicago, en fotonica en materiaalkunde via UNC en CMU, " zei Cohen-Karni. "De ontwikkelde technologie zal ons in staat stellen om in vivo te interageren met ofwel gemanipuleerde weefsels of met zenuw- of spierweefsel. Dit stelt ons in staat om de weefselfunctionaliteit te controleren en te beïnvloeden met behulp van licht op afstand met hoge precisie en weinig benodigde energieën."

Aanvullende bijdragen aan het project werden geleverd door Maysam Chamanzar, assistent-professor elektrische en computertechniek. De kernexpertise van zijn team op het gebied van fotonica en neurotechnologie hielp bij het ontwikkelen van de broodnodige hulpmiddelen om zowel de karakterisering van de unieke hybride nanomaterialen als de en bij het stimuleren van de cellen terwijl ze hun activiteit optisch registreren.

"De breedbandabsorptie van deze 3D-nanomaterialen stelde ons in staat om licht te gebruiken met golflengten die diep in het weefsel kunnen doordringen om zenuwcellen op afstand te prikkelen. Deze methode kan in een heel scala aan toepassingen worden gebruikt, van het ontwerpen van niet-invasieve therapieën tot fundamentele wetenschappelijke studies, ' zei Chamanzar.

De bevindingen van het team zijn belangrijk, zowel voor ons begrip van celinteracties als voor de ontwikkeling van therapieën die het potentieel van de eigen cellen van het menselijk lichaam benutten. Nanostructuren gemaakt met NT-3DFG kunnen een grote impact hebben op de toekomst van de menselijke biologie en geneeskunde.