科学家开发出微型可穿戴设备：与大脑神经元亲密接触纳米设备

麻省理工学院（MIT）的科学家们开发了一种新型的无线设备，其尺寸小到可以包裹在神经元周围。这些设备由柔软的聚合物制成，设计用于在不损伤细胞的情况下，通过光无线激活，轻柔地包裹在神经元的不同部分，如轴突和树突。这些设备可以用来测量或调节神经元的电活动，为深入探究大脑亚细胞区域提供了可能，甚至可能有助于恢复某些大脑功能。

像智能手表和健身追踪器这样的可穿戴设备与我们身体的一部分互动，以测量和学习内部过程，例如我们的心率或睡眠阶段。现在，MIT的研究人员已经开发出了可能为体内单个细胞执行类似功能的可穿戴设备。这些电池供电、亚细胞大小的设备由一种柔软的聚合物制成，设计用于在不损伤细胞的情况下，通过光无线激活，轻柔地包裹在神经元的不同部分，如轴突和树突。通过紧密包裹神经元过程，它们可以用来在亚细胞水平上测量或调节神经元的电活动和代谢活动。

因为这些设备是无需电池的，并且是自由浮动的，研究人员设想将来可以注射成千上万 tiny devices，然后使用光非侵入性激活它们。研究人员可以通过从体外照射的光剂量来精确控制可穿戴设备如何轻柔地包裹细胞，这将穿透组织并激活设备。通过包裹在神经元之间传递电冲动的轴突，这些可穿戴设备可以帮助恢复在像多发性硬化症这样的疾病中发生的某些神经元退化。从长远来看，这些设备可以与其他材料集成，创建可以测量和调节单个细胞的微小电路。

“我们在这里介绍的概念和平台技术就像是一块奠基石，为未来的研究带来了巨大的可能性，”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、Nano-Cybernetic Biotrek实验室负责人、该技术的论文高级作者Deblina Sarkar说。
Sarkar在论文上由主要作者Marta J. I. Airaghi Leccardi共同撰写，后者是诺华创新研究员，曾在MIT做博士后；MIT博士后Benoît X. E. Desbiolles；在研究中担任MIT本科研究员的Anna Y. Haddad '23；以及MIT研究生Baju C. Joy和Chen Song。这项研究最近发表在《自然通讯化学》上。

脑细胞具有复杂形状，这使得制造能够与神经元或神经元过程紧密贴合的生物电子植入物变得非常困难。例如，轴突是连接到神经元细胞体的细长尾部状结构，其长度和曲率变化很大。同时，轴突和其他细胞组成部分是脆弱的，因此任何与它们相互作用的设备都必须足够柔软，以便在不损害它们的情况下进行良好的接触。
为了克服这些挑战，MIT研究人员开发了一种由一种名为偶氮苯的软聚合物制成的薄膜设备，它们不会损害它们包裹的细胞。由于材料转变，偶氮苯的薄膜在暴露于光时会卷曲，使它们能够包裹细胞。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小微管。这使他们能够轻轻地但紧密地包裹高度弯曲的轴突和树突。
“可以非常精细地控制卷曲的直径。当你达到特定尺寸时，你可以通过相应调整光能量来停止，”Sarkar解释说。
研究人员尝试了多种制造技术，以找到一个可扩展的过程，不需要使用半导体洁净室。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，研究人员将印章压在聚合物滴上，在牺牲层上模制数千个 tiny devices。冲压技术使他们能够创建复杂的结构，从矩形到花朵形状。
烘焙步骤确保所有溶剂蒸发，然后他们使用蚀刻去除任何残留在个别设备之间的材料。最后，他们在水中溶解牺牲层，留下数千个自由浮动的微观设备在液体中。一旦他们有了含有自由浮动设备的溶液，他们就用光无线激活设备，使设备滚动。他们发现自由浮动的结构可以在照明停止后几天内保持其形状。

研究人员进行了一系列实验，以确保整个方法是生物兼容的。在完善使用光控制卷曲之后，他们在大鼠神经元上测试了设备，发现它们可以紧密包裹甚至高度弯曲的轴突和树突而不造成损伤。
“要与这些细胞进行亲密接触，设备必须足够柔软，能够适应这些复杂的结构。这就是我们在这项工作中解决的一个挑战。我们是第一个展示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个可扩展的制造过程，可以在洁净室外进行。他们还迭代了设备的理想厚度，因为制作得太厚会导致滚动时开裂。因为偶氮苯是一种绝缘体，一个直接的应用是使用这些设备作为轴突的合成髓鞘，受损的轴突髓鞘是一种绝缘层，允许电冲动在神经元之间高效传播。
在非髓鞘化疾病如多发性硬化症中，神经元失去了一些绝缘髓鞘。没有生物学方法来再生它们。通过充当合成髓鞘，可穿戴设备可能有助于恢复MS患者的神经元功能。
研究人员还展示了如何将设备与光电器材料结合，这些材料可以刺激细胞。此外，可以在设备上图案化原子级薄的材料，这些设备仍然可以滚动形成微管而不会破裂。这为在设备中集成传感器和电路提供了机会。此外，因为它们与细胞形成了如此紧密的连接，人们可以使用非常少的能量来刺激亚细胞区域。这可能使研究人员或临床医生能够调节神经元用于治疗脑疾病的电活动。
“展示这种人工设备与细胞前所未有的分辨率共生是令人兴奋的。我们已经展示了这项技术是可能的，”Sarkar说。
除了探索这些应用，研究人员还想尝试用分子功能化设备表面，使它们能够针对特定细胞类型或亚细胞区域。

这项在纳米技术和神经工程领域的突破，为与单个细胞的交互提供了新的可能性。随着这种新型无线设备的进一步研究和应用，我们有望在神经调节治疗和脑功能恢复方面取得更大的进步。我们邀请您在评论区分享您对这项技术的看法，以及它可能对神经科学和生物医学研究带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1038/s42004-024-01335-8