I den campiga science fiction-filmen "Fantastic Voyage från 1966, " forskare miniatyriserar en ubåt med sig själva inuti och reser genom kroppen på en kollega för att bryta upp en potentiellt dödlig blodpropp. Okej. Mikromänniskor åsido, föreställ dig den inflammation som metallsubstansen skulle orsaka.

Helst injicerbara eller implanterbara medicintekniska produkter bör inte bara vara små och elektriskt funktionella, de ska vara mjuka, som kroppsvävnaderna som de interagerar med. Forskare från två UChicago-labb gav sig ut för att se om de kunde designa ett material med alla dessa tre egenskaper.

Materialet de kom fram till, publicerad online 27 juni, 2016, i Naturmaterial , utgör grunden för en genialisk ljusaktiverad injicerbar enhet som så småningom skulle kunna användas för att stimulera nervceller och manipulera beteendet hos muskler och organ.

"De flesta traditionella material för implantat är mycket styva och skrymmande, speciellt om du vill göra elektrisk stimulering, " sa Bozhi Tian, en biträdande professor i kemi vars labb samarbetade med neuroforskaren Francisco Bezanilla om forskningen.

Det nya materialet, i kontrast, är mjuk och liten — partiklar som bara är några mikrometer i diameter (mycket mindre än ett människohår) som lätt sprids i en saltlösning så att de kan injiceras. Partiklarna bryts också ned naturligt inuti kroppen efter några månader, så ingen operation skulle behövas för att ta bort dem.

"svamp" i nanoskala

Varje partikel är byggd av två typer av kisel som tillsammans bildar en struktur full av porer i nanoskala, som en liten svamp. Och som en svamp, den är squishy – hundra till tusen gånger mindre styv än det välbekanta kristallina kisel som används i transistorer och solceller. "Det är jämförbart med styvheten hos kollagenfibrerna i våra kroppar, sa Yuanwen Jiang, Tians doktorand. "Så vi skapar ett material som matchar styvheten hos riktig vävnad."

Materialet utgör hälften av en elektrisk anordning som skapar sig själv spontant när en av kiselpartiklarna injiceras i en cellkultur, eller, så småningom, en människokropp. Partikeln fäster till en cell, skapa en gränsyta med cellens plasmamembran. Dessa två element tillsammans - cellmembran plus partikel - bildar en enhet som genererar ström när ljus lyser på kiselpartikeln.

"Du behöver inte injicera hela enheten, du behöver bara injicera en komponent, " João L. Carvalho-de-Souza, Bezanillas postdoc sa. "Denna enstaka partikelförbindelse med cellmembranet tillåter tillräcklig generering av ström som kan användas för att stimulera cellen och ändra dess aktivitet. När du har uppnått ditt terapeutiska mål, materialet bryts ned naturligt. Och om du vill göra terapi igen, du gör en ny injektion."

Forskarna byggde partiklarna med en process som de kallar nano-gjutning. De tillverkar en kiseldioxidform som består av små kanaler - "nano-trådar" - cirka sju nanometer i diameter (mindre än 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår) sammankopplade med mycket mindre "mikrobroar". I formen sprutar de in silangas, som fyller porer och kanaler och sönderdelas till kisel.

Och det är här saker och ting blir särskilt listiga. Forskarna utnyttjar faktumet ju mindre ett föremål är, desto mer dominerar atomerna på dess yta dess reaktioner på vad som finns omkring den. Mikrobryggorna är små, så de flesta av deras atomer finns på ytan. Dessa interagerar med syre som finns i kiseldioxidformen, skapa mikrobryggor gjorda av oxiderat kisel hämtat från material till hands. De mycket större nanotrådarna har proportionellt sett färre ytatomer, är mycket mindre interaktiva, och förblir mestadels rent kisel.

"Detta är skönheten med nanovetenskap, " sade Jiang. "Det låter dig konstruera kemiska sammansättningar bara genom att manipulera storleken på saker."

Web-liknande nanostruktur

Till sist, formen är upplöst. Kvar är en vävliknande struktur av kiselnano-trådar sammankopplade med mikrobryggor av oxiderat kisel som kan absorbera vatten och bidra till att öka strukturens mjukhet. Det rena silikonet behåller sin förmåga att absorbera ljus.

Forskarna har lagt till partiklarna på neuroner i odling i labbet, lyste ljus på partiklarna, och sett ström flyta in i neuronerna som aktiverar cellerna. Nästa steg är att se vad som händer hos levande djur. De är särskilt intresserade av att stimulera nerver i det perifera nervsystemet som ansluter till organ. Dessa nerver är relativt nära kroppens yta, så nära-infrarött våglängdsljus kan nå dem genom huden.

Tian föreställer sig att använda de ljusaktiverade enheterna för att konstruera mänsklig vävnad och skapa konstgjorda organ för att ersätta skadade. För närvarande, forskare kan göra konstruerade organ med rätt form men inte den ideala funktionen.

För att få ett labbbyggt organ att fungera korrekt, de kommer att behöva kunna manipulera enskilda celler i den konstruerade vävnaden. Den injicerbara enheten skulle tillåta en vetenskapsman att göra det, att justera en enskild cell med en hårt fokuserad ljusstråle som en mekaniker som sträcker sig in i en motor och vrider en enda bult. Möjligheten att göra den här typen av syntetisk biologi utan genteknik är lockande.

"Ingen vill att deras genetik ska förändras, " sa Tian. "Det kan vara riskabelt. Det finns ett behov av ett icke-genetiskt system som fortfarande kan manipulera cellbeteende. Det här kan vara ett sådant system."

Tians doktorand Yuanwen Jiang gjorde materialutvecklingen och karaktäriseringen av projektet. Den biologiska delen av samarbetet gjordes i Francisco Bezanillas labb, Lillian Eichelberger Cannon professor i biokemi och molekylärbiologi, av postdoc João L. Carvalho-de-Souza. De var, sa Tian, verkets "hjältar".