MIT开发无创光激活设备：可修复多发性硬化神经损伤

科技 2024-11-10 11:55 北京

（来源：MIT News）

可穿戴设备如智能手表和健身追踪器与我们身体的部分互动，用来监测和了解内部过程，比如心率或睡眠阶段。

如今，MIT 的研究人员开发出一种可穿戴设备，能够在体内单个细胞上执行类似功能。

这些无电池、亚细胞尺寸的设备由柔性聚合物制成，设计上能够在光的无线激活下，轻柔地包裹在神经元的不同部分，如轴突和树突周围，而不会对细胞造成损害。通过紧密包裹神经元的结构，这些设备可以用于测量或调节神经元在亚细胞水平的电活动和代谢活动。

由于这些设备是无线且漂浮的，研究人员设想未来可以将数千个微小设备注射入体内，然后通过外部光源无创地激活它们。研究人员可以精确控制光照剂量，使可穿戴设备柔和地包裹住细胞。光能够穿透组织，并激活这些设备。

通过包裹在传递电信号的轴突上，这些可穿戴设备有可能帮助恢复在多发性硬化等疾病中出现的神经元退化。长远来看，这些设备还可以与其他材料整合，形成微小的电路，用于测量和调节单个细胞的活动。

“我们在这里提出的概念和平台技术，犹如一块奠基石，为未来的研究带来了巨大可能性。”MIT 媒体实验室和神经生物工程中心的 AT&T 职业发展助理教授，同时也是 Nano-Cybernetic Biotrek 实验室的负责人、本文资深作者 Deblina Sarkar 说道。

论文的主要作者是 Marta J. I. Airaghi Leccardi（前 MIT 博士后，现为诺华创新研究员），还有 MIT 博士后 Benoît X. E. Desbiolles，前 MIT 本科研究员 Anna Y. Haddad，MIT 研究生 Baju C. Joy 和 Chen Song。研究成果已于今日发表在 Nature Communications Chemistry 上。

紧密包裹细胞

大脑细胞的形状复杂，这使得要设计一个可以与神经元或神经元结构紧密贴合的生物电子植入物极为困难。例如，轴突是一种细长的、尾状结构，连接到神经元的细胞体，其长度和曲率差异很大。

同时，轴突和其他细胞成分非常脆弱，因此与它们接触的任何设备都必须足够柔软，既能实现良好的接触，又不会对它们造成伤害。

为了解决这些难题，MIT 的研究人员利用一种称为偶氮苯的柔性聚合物开发出薄膜设备，可以在不损伤细胞的情况下包裹细胞。

由于材料的转变特性，偶氮苯薄片在光照下会卷曲，从而能够包裹住细胞。研究人员可以通过调整光的强度和偏振以及设备的形状，精确控制卷曲的方向和直径。

这些薄膜可以形成直径小于一微米的微管，使它们能够轻柔但紧密地包裹在高度弯曲的轴突和树突周围。

“我们可以非常精细地控制卷曲的直径。通过调节光能量，可以在达到所需尺寸时停止卷曲。”Sarkar 解释道。

研究人员试验了几种制造工艺，寻找一种既可扩展又无需半导体无尘室的工艺。

制造微型可穿戴设备

他们首先将一滴偶氮苯沉积在由水溶性材料组成的“牺牲层”上。然后，研究人员用印章按压在聚合物滴上，在“牺牲层”上模制出数千个微小设备。通过这种印压技术，可以制造出从矩形到花形的复杂结构。

接着，通过烘焙步骤确保所有溶剂蒸发，并使用蚀刻工艺去除设备之间残留的材料。最后，他们将“牺牲层”溶解在水中，留下数千个漂浮在液体中的微小设备。

在得到这些自由漂浮的设备后，他们用光无线激活设备，使其卷曲。研究发现，自由漂浮的结构在光照停止后可以保持数天形状不变。

研究人员进行了系列实验，以确保整个方法对生物体无害。

在完善了光控卷曲的方法后，他们在大鼠神经元上测试了这些设备，发现即使是高度弯曲的轴突和树突，它们也能紧密包裹而不造成损害。

“为了与这些细胞亲密接触，设备必须柔软且能够适应这些复杂的结构。我们在这项研究中解决了这一难题。我们是第一个证明偶氮苯甚至可以包裹活细胞的团队。”她说道。

他们面临的最大挑战之一是开发出可扩展且无需无尘室的制造工艺。他们还不断调整设备的理想厚度，因为过厚会导致卷曲时产生裂纹。

由于偶氮苯是绝缘体，因此一种直接应用就是将设备作为受损轴突的合成髓鞘。髓鞘是一种包裹轴突的绝缘层，使电信号能够在神经元之间高效传递。

在像多发性硬化这样的非髓鞘化疾病中，神经元失去了一些绝缘髓鞘。目前没有生物学方法可以再生它们。作为合成髓鞘，这些可穿戴设备可能帮助多发性硬化症患者恢复神经元功能。

研究人员还展示了如何将这些设备与可以刺激细胞的光电材料结合。此外，可以在设备表面上制作原子级薄材料，这些设备仍然能够卷曲形成微管而不破裂。这为在设备中集成传感器和电路提供了机会。

此外，由于它们能够与细胞紧密接触，只需很少的能量就能刺激亚细胞区域。研究人员或临床医生可以利用这一特点来调节神经元的电活动，以治疗脑部疾病。

“展示这种人工设备与细胞在前所未有的分辨率下实现共生，是一件令人兴奋的事情。我们已经证明了这项技术的可行性。”Sarkar 说。

除了探索这些应用外，研究人员还希望尝试在设备表面功能化，附着上能帮助它们靶向特定细胞类型或亚细胞区域的分子。

“这项工作是朝着新型共生神经接口的激动人心的一步，这种接口能够在单个轴突和突触水平上起作用。结合纳米级一维和二维导电纳米材料，这些对光响应的偶氮苯薄片可以成为一个多功能平台，以最小或非侵入性方式感应并传递不同类型的信号（如电、光、热等）到神经元和其他细胞类型。尽管是初步研究，但本文报告的细胞相容性数据也为将来在体内应用带来了希望。”宾夕法尼亚大学神经学、生物工程与物理医学与康复副教授 Flavia Vitale 说道，她并未参与该项研究。

该研究得到了瑞士国家科学基金会和美国国立卫生研究院脑计划的支持。部分研究通过 MIT.nano 设施完成。

原文链接：

https://news.mit.edu/2024/wearable-devices-for-cells-1031

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTIyODUzNA==&mid=2649759710&idx=4&sn=3905f1dfbfe47ce13e12ffcca6bef17f

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