Соединение нейронов и электроники с помощью углеродных нанотрубок

Новые имплантируемые биомедицинские устройства, способные действовать как искусственные нервные клетки, контролировать сильную боль или позволять двигаться иначе парализованным мышцам, могут стать возможными благодаря разработкам в материаловедении.

В статье, опубликованной в Advanced Materials, Николас Котов из Мичиганского университета и его коллеги описывают, как они использовали полые субмикроскопические нити углерода — углеродные нанотрубки — для соединения интегральной схемы с нервными клетками. Новая технология открывает возможность создания интерфейса между биологией и электроникой.

Котов и его коллеги из Университета штата Оклахома и Медицинского отделения Техасского университета исследовали свойства однослойных углеродных нанотрубок (SWNTs) с целью разработки этих материалов в качестве биосовместимых компонентов медицинских устройств, сенсоров и протезов. SWNTs формируются из атомов углерода различными методами, включая осаждение, и напоминают свернутый лист проволочной сетки, но в крошечном масштабе. Их диаметр обычно составляет всего несколько нанометров, а длина — до нескольких микрометров.

Исследователи создали многослойную плёнку из SWNTs, которая является электропроводящей даже при толщине всего в несколько нанометров. Затем они вырастили на этой плёнке клетки-предшественники нейронов. Эти клетки-предшественники успешно дифференцировались в сильно разветвлённые нейроны.

После этого можно было приложить напряжение, латеральное к слою плёнки из SWNTs, и использовать так называемый whole cell patch clamp для измерения любого электрического воздействия на нервные клетки. При приложении латерального напряжения относительно большой ток проходит вдоль поверхности, но лишь очень маленький ток — порядка миллиардных долей ампера — передаётся через плёнку к нервным клеткам. Чистый эффект представляет собой своего рода обратное усиление приложенного напряжения, которое стимулирует нервные клетки, не повреждая их.

Котов и его коллеги сообщают, что такие устройства могут найти применение, например, в управлении болью, где активность нервных клеток, участвующих в болевой реакции, можно контролировать, снижая её. Аналогичное устройство, наоборот, можно использовать для стимуляции отказавших двигательных нейронов — нервных клеток, контролирующих сокращение мышц. Исследователи также предполагают, что стимуляцию можно применять к клеткам сердечной мышцы.

Они предупреждают, что предстоит проделать огромную работу, прежде чем такие устройства станут доступны медицинскому сообществу.

Цитирование: Nicholas A. Kotov et al., Stimulation of Neural Cells by Lateral Currents in Conductive Layer-by-Layer Films of Single-Walled Carbon Nanotubes, Advanced Materials 2006, 18, No. 22, doi: 10.1002/adma.200600878