智能手表和健身追踪器等可穿戴设备与我们身体的各个部位相互作用，以测量和了解我们的内部过程，比如我们的心率或睡眠阶段。
现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种可穿戴设备，它可能能够对体内的单个细胞执行类似的功能。
这些无电池、亚细胞大小的装置由一种柔软的聚合物制成，设计成在用光无线驱动的情况下，轻轻缠绕在神经元的不同部分，如轴突和树突，而不会损坏细胞。通过紧密包裹神经元过程，它们可以在亚细胞水平上测量或调节神经元的电和代谢活动。
由于这些设备是无线和自由漂浮的，研究人员设想，有一天，成千上万的微型设备可以被注入体内，然后利用光无创地启动。研究人员将精确地控制可穿戴设备如何轻轻地缠绕细胞，通过操纵从身体外部照射的光线剂量，这些光线将穿透组织并驱动设备。
通过包裹在神经元之间和身体其他部位传递电脉冲的轴突，这些可穿戴设备可以帮助恢复在多发性硬化症等疾病中发生的一些神经元退化。从长远来看，该设备可以与其他材料集成，以创建可以测量和调节单个细胞的微型电路。
“我们在这里介绍的概念和平台技术就像一块基石，为未来的研究带来了巨大的可能性，”麻省理工学院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、纳米控制论生物之路实验室的负责人Deblina Sarkar说，她也是一篇关于这项技术的论文的资深作者。
论文的第一作者Marta J. I. Airaghi Leccardi是麻省理工学院的前博士后，现在是诺华创新研究员，这项研究今天发表在《Nature Communications Chemistry》杂志上。
紧密包裹细胞
脑细胞具有复杂的形状，这使得制造一种能与神经元或神经元过程紧密结合的生物电子植入物变得极其困难。例如，轴突是细长的尾巴状结构，附着在神经元的细胞体上，它们的长度和曲率变化很大。
同时，轴突和其他细胞成分是脆弱的，所以任何与它们连接的设备都必须足够柔软，以便在不伤害它们的情况下进行良好的接触。
为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究人员开发了一种名为偶氮苯的软聚合物薄膜装置，这种装置不会损坏它们所包裹的细胞。
由于材料的转变，偶氮苯薄片在暴露在光线下会滚动，使它们能够包裹在细胞周围。研究人员可以通过改变光的强度和偏振以及设备的形状来精确控制滚动的方向和直径。
薄膜可以形成直径小于1微米的微管。这使得它们能够轻柔而舒适地包裹在高度弯曲的轴突和树突上。
“很好地控制轧制直径是可能的。当你到达你想要的特定维度时，你可以通过相应地调整光能来停止它，”Sarkar解释说。
研究人员试验了几种制造技术，以找到一种可扩展且不需要使用半导体洁净室的工艺。
制造微型可穿戴设备
他们首先将一滴偶氮苯滴在由水溶性材料组成的牺牲层上。然后，研究人员在聚合物滴上压上一个图章，在牺牲层上塑造数千个微型装置。冲压技术使他们能够创造复杂的结构，从矩形到花朵形状。
一个烘烤步骤确保所有溶剂都蒸发掉，然后他们用蚀刻来刮掉单个设备之间残留的任何物质。最后，他们将牺牲层溶解在水中，留下成千上万的微观设备自由漂浮在液体中。
一旦他们有了自由浮动装置的解决方案，他们就用光无线驱动装置，诱导装置滚动。他们发现，自由漂浮的结构在光照停止后仍能保持形状数天。
研究人员进行了一系列实验，以确保整个方法具有生物相容性。
在完善了光控制滚动的使用后，他们在大鼠神经元上测试了这种装置，发现它们可以紧紧地缠绕在高度弯曲的轴突和树突上，而不会造成损伤。
“为了与这些细胞有亲密的界面，这些设备必须柔软，能够符合这些复杂的结构。这就是我们在这项工作中解决的挑战。我们是第一个证明偶氮苯甚至可以包裹活细胞的人，”她说。
他们面临的最大挑战之一是开发一种可扩展的制造工艺，可以在洁净室之外进行。他们还反复研究了设备的理想厚度，因为太厚会导致设备在滚动时破裂。
因为偶氮苯是一种绝缘体，一个直接的应用是使用这种装置作为受损轴突的合成髓磷脂。髓磷脂是包裹轴突的绝缘层，它允许电脉冲在神经元之间有效地传递。
在像多发性硬化症这样的非髓鞘疾病中，神经元失去了一些绝缘的髓鞘膜。没有生物方法可以使它们再生。通过充当合成髓磷脂，可穿戴设备可能有助于恢复多发性硬化症患者的神经元功能。
研究人员还演示了如何将这些设备与可以刺激细胞的光电材料结合起来。此外，原子级薄的材料可以在器件的顶部形成图案，这些器件仍然可以滚动形成微管而不会断裂。这为在设备中集成传感器和电路提供了机会。
此外，由于它们与细胞紧密相连，人们可以用很少的能量来刺激亚细胞区域。这可以使研究人员或临床医生通过调节神经元的电活动来治疗脑部疾病。
“以前所未有的分辨率展示人工设备与细胞的共生关系是令人兴奋的。我们已经证明这项技术是可行的。”
除了探索这些应用之外，研究人员还想尝试用分子使设备表面功能化，使其能够针对特定的细胞类型或亚细胞区域。
“这项工作是朝着在单个轴突和突触水平上起作用的新的共生神经界面迈出的令人兴奋的一步。当与纳米级1和2D导电纳米材料集成时，这些光响应偶氮苯片可以成为一个多功能平台，以最小或无创的方式感知和传递不同类型的信号（即电、光、热等）到神经元和其他类型的细胞。宾夕法尼亚大学神经学、生物工程、物理医学和康复学副教授Flavia Vitale没有参与这项工作，他说：“虽然是初步的，但这项工作中报告的细胞相容性数据对于未来在体内的应用也非常有希望。”
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