脑机启侦 | “可穿戴”设备可以测量并调节电活动（11.10）

智能手表和健身追踪器等可穿戴设备与我们的身体部位进行交互，以测量并了解我们的内部过程，如心率或睡眠阶段。

现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员已经开发出可穿戴设备，这些设备可能能够为体内的单个细胞执行类似的功能。

研究介绍

这些无电池、亚细胞大小的可穿戴设备由软聚合物制成，设计用于在光的无线驱动下，轻轻包裹神经元的不同部位（如轴突和树突），而不会损伤细胞。通过紧密包裹神经活动过程，它们可用于在亚细胞水平上测量或调节神经元的电活动和代谢活动。

由于这些设备是无线且自由漂浮的，研究人员设想，未来有一天可以将成千上万个微小的设备注入体内，然后利用光进行无创驱动。研究人员将通过操纵从体外照射的光剂量来控制可穿戴设备如何轻轻包裹细胞，这些光会穿透组织并驱动设备。

通过包裹在神经元之间以及神经元向身体其他部位传递电冲动的轴突，这些可穿戴设备有助于恢复多发性硬化症等疾病中出现的部分神经元退化。从长远来看，这些设备可以与其他材料相结合，创造出能够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一块奠基石，为未来研究带来了无限可能。”德布林娜·萨尔卡（Deblina Sarkar）表示，她是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、纳米赛博生物追踪实验室负责人，也是这项技术的相关论文的主要作者。

脑细胞形状复杂，这使得创建能够紧密贴合神经元或神经活动过程的生物电子植入物变得极其困难。例如，轴突是连接到神经元细胞体的细长、尾状结构，其长度和曲率差异很大。

同时，轴突和其他细胞成分很脆弱，因此任何与它们接触的设备都必须足够柔软，以便在不伤害它们的情况下实现良好接触。

研究方法

为了克服这些挑战，MIT的研究人员开发了一种由名为偶氮苯的软聚合物制成的薄膜设备，这些设备在包裹细胞时不会损伤细胞。

由于材料变形，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1微米的微小微管。这使得它们能够轻轻但紧密地包裹高度弯曲的轴突和树突。

“可以非常精确地控制卷曲的直径。通过相应地调整光能，你可以在达到所需的特定尺寸时停止卷曲。”萨尔卡解释道。

研究人员尝试了多种制造技术，以找到一种可扩展且无需使用半导体清洁室的工艺。

他们首先在一层由水溶性材料组成的牺牲层上滴一滴偶氮苯。然后，研究人员将模具压在聚合物液滴上，在牺牲层上成型出成千上万个微小的设备。这种压印技术使他们能够创建从矩形到花朵形状等复杂结构。

烘烤步骤可确保所有溶剂蒸发，然后使用蚀刻去除单个设备之间残留的任何材料。最后，他们用水溶解牺牲层，留下数千个在液体中自由漂浮的微型设备。

一旦得到含有自由漂浮设备的溶液，他们就用光无线驱动这些设备，使其卷曲。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，以确保整个方法是生物相容的。在完善使用光控制卷曲的方法后，他们在大鼠神经元上测试了这些设备，发现它们能够紧紧包裹住即使高度弯曲的轴突和树突，而不会造成损伤。

“为了与这些细胞建立密切的界面，设备必须柔软且能够适应这些复杂结构。这是我们在这项工作中解决的问题。我们是第一个证明偶氮苯甚至能够包裹活细胞的人。”她说道。

他们面临的最大挑战之一是开发一种可在清洁室外进行的可扩展制造工艺。他们还反复试验了设备的理想厚度，因为设备太厚会在卷曲时导致开裂。

由于偶氮苯是绝缘体，它的一个直接应用是作为受损轴突的合成髓鞘。髓鞘是包裹轴突的绝缘层，可使电冲动在神经元之间高效传递。

研究意义

在多发性硬化症等髓鞘形成障碍疾病中，神经元会失去一些绝缘的髓鞘片。目前无法通过生物方式再生髓鞘。作为合成髓鞘，这些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。

研究人员还展示了如何将这些设备与能够刺激细胞的光电材料相结合。此外，还可以在设备顶部沉积原子级厚度的材料，这些材料在卷曲成微管时不会断裂。这为在设备中集成传感器和电路提供了机会。

此外，由于它们与细胞形成了紧密的连接，因此可以使用非常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能够调节神经元的电活动，以治疗脑部疾病。

“能够以前所未有的分辨率展示这种人工设备与细胞的共生关系，令人兴奋不已，我们已经证明了这项技术的可行性。”萨尔卡说道。

除了探索这些应用外，研究人员还想尝试用能够靶向特定细胞类型或亚细胞区域的分子对设备表面进行功能化处理。

新闻来源：Communications Chemistry