Создана электрическая связь между нейронами и светочувствительными наночастицами для искусственной сетчатки

Исследователи из Медицинского отделения Техасского университета в Галвестоне (UTMB) и Мичиганского университета впервые в мире создали прямую электрическую связь между нервными клетками и плёнками из фотоэлектрических наночастиц. Это открывает путь к использованию уникальных свойств наночастиц в различных устройствах для световой стимуляции нервных сигналов, включая возможную разработку искусственной сетчатки на основе наночастиц.

Наночастицы — это искусственно созданные частицы материи, ненамного больше отдельных атомов. Их поведение контролируется теми же силами, что формируют молекулы, и они демонстрируют эффекты квантовой механики. Учёные могут использовать эти характеристики для «сборки снизу вверх» новых материалов, совместимых с живыми клетками и способных преобразовывать свет в крошечные электрические токи, вызывающие ответ в нервах.

Именно это сделали исследователи, используя метод, разработанный профессором химической инженерии Мичиганского университета Николаем Котовым. Процесс начинается со стеклянной пластины, на которой послойно создаётся «сэндвич» из двух типов ультратонких плёнок: одна из наночастиц теллурида ртути, другая — из положительно заряженного полимера PDDA. Затем учёные добавили слой обычной глины и клеточно-совместимое покрытие из аминокислот, а сверху разместили культивированные нейроны.

При освещении плёнки из наночастиц теллурида ртути генерируют электроны, которые перемещаются в слои PDDA, создавая восходящий электрический ток. «Когда вы наращиваете слои, вы получаете лучшую способность поглощать фотоны и генерировать напряжение, — пояснил ведущий автор статьи в Nano Letters Тодд Паппас. — Когда ток достигает мембраны нейрона, он деполяризует клетку до точки срабатывания, и вы получаете сигнал в нерве».

Хотя световые сигналы ранее передавались нервным клеткам с помощью кремния, наноинженерные материалы обещают гораздо большую эффективность и универсальность.

«Мы сможем настраивать электрические характеристики этих плёнок из наночастиц, чтобы получить такие свойства, как чувствительность к цвету и дифференциальная стимуляция, что необходимо для создания искусственной сетчатки — одной из конечных целей проекта, — отметил Паппас. — С кремнием этого сделать нельзя. Кроме того, кремний — объёмный материал, его устройства гораздо менее совместимы с клетками по размеру».

Исследователи подчёркивают, что, несмотря на большой потенциал светочувствительного интерфейса «наночастица-нейрон», создание имплантируемой искусственной сетчатки — долгосрочный проект. Однако они также возлагают надежды на множество других, менее сложных применений этого крошечного и универсального светоактивируемого интерфейса с нервными клетками. Это могут быть новые способы связи с искусственными конечностями и другими протезами, а также революционные инструменты для визуализации, диагностики и терапии.

«Красота этого достижения в том, что эти материалы можно активировать дистанционно, без проводов. Всё, что нужно, — это доставить свет к материалу, — сказал профессор Массуд Мотамеди, директор Центра биомедицинской инженерии UTMB. — Эта технология может обеспечить неинвазивное соединение между нервной системой человека и протезами или инструментами с беспрецедентной гибкостью, компактностью и надёжностью. Такие наноинструменты дадут медицине и биологии совершенно новые возможности, которые сейчас даже трудно представить».