研究人员开发了微型可穿戴设备，可以紧密包裹神经元和神经元过程，而不会损伤细胞。这些由柔软聚合物制成的薄膜可穿戴设备，可以使科学家在亚细胞水平测量和调节神经元的活动。
可穿戴设备如智能手表和健身追踪器与我们身体的某些部分互动，以测量和了解内部过程，例如我们的心率或睡眠阶段。
现在，麻省理工学院的研究人员开发了可穿戴设备，可能能够在体内对单个细胞执行类似的功能。
这些无电池、亚细胞大小的设备由柔软聚合物制成，旨在通过光的无线激活轻轻包裹神经元的不同部分，如轴突和树突，而不损害细胞。通过紧密包裹神经过程，它们可以用于测量或调节神经元在亚细胞水平上的电活性和代谢活动。
由于这些设备是无线且自由漂浮的，研究人员设想将来可以将成千上万的小设备注射进体内，并通过光非侵入性地激活它们。研究人员将通过操控外部照射的光的强度和极化，精确控制可穿戴设备如何轻柔地包裹细胞，这些光可以穿透组织并激活设备。
通过包裹在神经元之间传递电冲动和到身体其他部分的轴突，这些可穿戴设备可能有助于恢复在多发性硬化症等疾病中发生的一些神经退化。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Deblina Sarkar说，同时也是纳米-网络生物探索实验室的负责人，以及相关技术论文的资深作者。
在论文中，Sarkar的合作者包括首席作者Marta J. I. Airaghi Leccardi（前麻省理工学院博士后，现在是诺华创新奖学金获得者）、麻省理工学院博士后Benoît X. E. Desbiolles、在此工作期间为麻省理工学院本科研究人员的Anna Y. Haddad ’23，以及麻省理工学院研究生Baju C. Joy和Chen Song。该研究今日发表在Nature Communications Chemistry.
紧密包裹细胞
脑细胞形状复杂，这使得创造一个能够紧密贴合神经元或神经元过程的生物电子植入物极为困难。例如，轴突是细长的尾状结构，附着在神经元的细胞体上，它们的长度和弯曲程度变化很大。
与此同时，轴突和其他细胞组件非常脆弱，因此与它们交互的任何设备都必须足够柔软，以良好接触而不伤害它们。
为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究人员开发了由一种名为偶氮苯的柔软聚合物制成的薄膜设备，这种设备不会损伤其所包裹的细胞。
由于材料的转变，偶氮苯的薄片在光照下会卷起，从而能够包裹细胞。研究人员可以通过改变光的强度和极化，以及设备的形状，精确控制卷起的方向和直径。
薄膜可以形成直径小于微米的微小微管。这使它们能够温和而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起的直径。当达到您想要的特定尺寸时，您可以通过相应调节光能量来停止，”Sarkar解释道。
研究人员尝试了几种制造技术，寻找一个可扩展且无需使用半导体洁净室的工艺。
制造微观可穿戴设备
他们首先将一滴偶氮苯沉积在由水溶性材料构成的牺牲层上。然后，研究人员将一个印章压在聚合物的滴液上，以在牺牲层上模制成千上万的小设备。印章技术使他们能够创建从矩形到花形的复杂结构。
一个烘烤步骤确保所有溶剂都蒸发，然后使用蚀刻去除单个设备之间残留的任何材料。最后，他们将牺牲层溶解在水中，使得数千个微小设备在液体中自由漂浮。
一旦获得悬浮设备的溶液，他们就通过光无线激活这些设备以诱导其滚动。他们发现，自由漂浮的结构在照明停止后可以保持其形状数天。
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。
在完美控制滚动的光之后，他们在大鼠神经元上测试了这些设备，发现它们能够紧密包裹甚至高度弯曲的轴突和树突而不造成损伤。
“为了与这些细胞有亲密的界面，设备必须柔软并能够适应这些复杂结构。这是我们在这项工作中解决的挑战。我们是第一个展示偶氮苯可以甚至包裹活细胞的团队，”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，该工艺可以在洁净室外进行。他们还在设备的理想厚度上进行了多次换代，因为将其做得过厚会导致在滚动时发生裂纹。
由于偶氮苯是一种绝缘体，因此一种直接应用是将这些设备用作已受损轴突的合成髓鞘。髓鞘是包裹在轴突外的一层绝缘层，允许电冲动在神经元之间高效传递。
在多发性硬化症等非髓鞘化疾病中，神经元失去了一些绝缘髓鞘层。没有生物方法可以再生它们。通过充当合成髓鞘，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。此外，原子级薄材料可以在设备顶部进行图案化，这些材料仍然可以滚动形成微管而不破裂。这为在设备中集成传感器和电路开辟了机会。
此外，由于它们与细胞之间形成如此紧密的连接，因此可以使用非常少的能量来刺激亚细胞区域。这可能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。
“以空前的分辨率证明这种人工设备与细胞的共生是令人兴奋的。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，研究人员还希望尝试用分子功能化设备表面，使其能够针对特定的细胞类型或亚细胞区域。
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。
