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研究人员使用纳米粒子作为加热器来操纵神经元的电活动

纳米材料已用于各种新兴应用,例如靶向药物或支持其他材料和产品,例如传感器、能量收集和存储设备。圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的一个团队正在使用纳米粒子作为加热器来操纵大脑中神经元和心脏心肌细胞的电活动。

该研究结果于 2021 年 7 月 3 日发表在Advanced Materials 上,有可能转化为其他类型的可兴奋细胞,并作为纳米神经工程的宝贵工具。

材料科学家 Srikanth Singamaneni 和生物医学工程师 Barani Raman 及其团队合作开发了一种非侵入性技术,该技术使用聚多巴胺 (PDA) 纳米颗粒和近红外光抑制神经元的电活动。带负电荷的 PDA 纳米粒子选择性地与神经元结合,吸收产生热量的近红外光,然后将热量传递给神经元,抑制它们的电活动。

我们展示了我们可以抑制这些神经元的活动并停止它们的放电,不仅仅是断断续续,而是以分级的方式。通过控制光强度,我们可以控制神经元的电活动。一旦我们停止了灯光,我们就可以将它们完全带回来而不会受到任何损坏。”

Srikanth Singamaneni,机械工程与材料科学系 Lilyan & E. Lisle Hughes 教授

除了能够有效地将光转化为热量之外,PDA 纳米颗粒还具有高度的生物相容性和生物降解性。纳米粒子最终会降解,使其成为未来用于体外和体内实验的便捷工具。

生物医学工程教授拉曼将这个过程比作在一杯咖啡中加入奶油。

“当你将奶油倒入热咖啡中时,它会通过扩散过程溶解并变成奶油咖啡,”他解释道。“它类似于控制哪些离子流入和流出神经元的过程。扩散取决于温度,所以如果你能很好地控制热量,你就可以控制靠近神经元的扩散速率。这反过来会影响细胞的电活动。这项研究证明了这样一个概念,即在纳米粒子标记的神经元附近,光热效应将光转化为热量,可用作远程控制特定神经元的一种方式。”

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