Nanomaterialen zijn gebruikt in een verscheidenheid aan opkomende toepassingen, zoals in gerichte geneesmiddelen of om andere materialen en producten te versterken, zoals sensoren en apparaten voor het oogsten en opslaan van energie. Een team van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis gebruikt nanodeeltjes als verwarmers om de elektrische activiteit van neuronen in de hersenen en van hartspiercellen in het hart te manipuleren.

De bevindingen, gepubliceerd op 3 juli 2021, in Geavanceerde materialen , hebben het potentieel om te worden vertaald naar andere soorten prikkelbare cellen en dienen als een waardevol hulpmiddel in nano-neuro-engineering.

Srikanth Singamaneni, een materiaalwetenschapper, en Barani Raman, een biomedisch ingenieur, en hun teams werkten samen om een ​​niet-invasieve technologie te ontwikkelen die de elektrische activiteit van neuronen remt met behulp van polydopamine (PDA) nanodeeltjes en nabij-infrarood licht. De negatief geladen PDA-nanodeeltjes, die selectief binden aan neuronen, absorberen nabij-infrarood licht dat warmte creëert, die vervolgens wordt overgebracht naar de neuronen, hun elektrische activiteit te remmen.

"We hebben laten zien dat we de activiteit van deze neuronen kunnen remmen en hun vuren kunnen stoppen, niet alleen aan en uit, maar op een gegradueerde manier, " zei Singamaneni, de Lilyan &E. Lisle Hughes Professor in de afdeling Werktuigbouwkunde &Materiaalkunde. "Door de lichtintensiteit te regelen, we kunnen de elektrische activiteit van de neuronen controleren. Zodra we het licht stopten, we kunnen ze weer helemaal terugbrengen zonder enige schade."

Naast hun vermogen om licht efficiënt om te zetten in warmte, de PDA-nanodeeltjes zijn zeer biocompatibel en biologisch afbreekbaar. De nanodeeltjes worden uiteindelijk afgebroken, waardoor ze een handig hulpmiddel zijn voor gebruik in in vitro en in vivo experimenten in de toekomst.

Raman, hoogleraar biomedische technologie, vergelijkt het proces met het toevoegen van room aan een kopje koffie.

"Als je room in hete koffie giet, het lost op en wordt koffieroom door het diffusieproces, " legde hij uit. "Het is vergelijkbaar met het proces dat bepaalt welke ionen in en uit de neuronen stromen. Diffusie is afhankelijk van temperatuur, dus als je goed met de hitte om kunt gaan, jij regelt de diffusiesnelheid dichtbij de neuronen. Dit zou op zijn beurt de elektrische activiteit van de cel beïnvloeden. Deze studie toont het concept aan dat het fotothermische effect, licht omzetten in warmte, in de buurt van nanodeeltjes getagde neuronen kunnen worden gebruikt als een manier om specifieke neuronen op afstand te besturen."

Om de koffie-analogie voort te zetten, het team heeft een fotothermisch schuim ontworpen dat lijkt op een suikerklontje, het vormen van een dichte populatie van nanodeeltjes in een strakke verpakking die sneller werkt dan individuele suikerkristallen die zich verspreiden, zei Raman.

"Met zo veel van hen verpakt in een klein volume, het schuim is sneller in het omzetten van licht in warmte en geeft efficiëntere controle aan alleen de neuronen die we willen, " zei hij. "Je hoeft geen kracht van hoge intensiteit te gebruiken om hetzelfde effect te genereren."

In aanvulling, het team, waaronder Jon Silva, universitair hoofddocent biomedische technologie, paste de PDA-nanodeeltjes toe op cardiomyocyten, of hartspiercellen. interessant, het fotothermische proces prikkelde de hartspiercellen, waaruit blijkt dat het proces de prikkelbaarheid in cellen kan verhogen of verlagen, afhankelijk van hun type.

"De prikkelbaarheid van een cel of weefsel, of het nu hartspiercellen of spiercellen zijn, hangt tot op zekere hoogte af van diffusie, " zei Raman. "Hoewel cardiomyocyten andere regels hebben, het principe dat de gevoeligheid voor temperatuur regelt, zal naar verwachting vergelijkbaar zijn."

Nutsvoorzieningen, het team bekijkt hoe verschillende soorten neuronen reageren op het stimulatieproces. Ze zullen zich richten op bepaalde neuronen door de nanodeeltjes selectief te binden om meer selectieve controle te bieden.