Nanomaterial har använts i en mängd nya tillämpningar, till exempel i riktade läkemedel eller för att stärka andra material och produkter som sensorer och energiskördande och lagringsenheter. Ett team vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis använder nanopartiklar som värmare för att manipulera den elektriska aktiviteten hos neuroner i hjärnan och av kardiomyocyter i hjärtat.

Resultaten, publicerad 3 juli, 2021, i Avancerade material , har potential att översättas till andra typer av exciterbara celler och fungera som ett värdefullt verktyg inom nano-neuroteknik.

Srikanth Singamaneni, en materialvetare, och Barani Raman, en biomedicinsk ingenjör, och deras team samarbetade för att utveckla en icke-invasiv teknologi som hämmar den elektriska aktiviteten hos neuroner med hjälp av polydopamin (PDA) nanopartiklar och nära-infrarött ljus. De negativt laddade PDA-nanopartiklarna, som selektivt binder till neuroner, absorbera nära-infrarött ljus som skapar värme, som sedan överförs till neuronerna, hämmar deras elektriska aktivitet.

"Vi visade att vi kan hämma aktiviteten hos dessa neuroner och stoppa deras avfyring, inte bara av och på, men på ett graderat sätt, sa Singamaneni, Lilyan &E. Lisle Hughes professor vid institutionen för maskinteknik och materialvetenskap. "Genom att kontrollera ljusintensiteten, vi kan kontrollera neuronernas elektriska aktivitet. När vi väl stoppade ljuset, vi kan helt och hållet ta tillbaka dem igen utan några skador."

Förutom deras förmåga att effektivt omvandla ljus till värme, PDA-nanopartiklarna är mycket biokompatibla och biologiskt nedbrytbara. Nanopartiklarna bryts så småningom ned, vilket gör dem till ett bekvämt verktyg för användning i in vitro och in vivo experiment i framtiden.

Raman, professor i biomedicinsk teknik, jämför processen med att tillsätta grädde till en kopp kaffe.

"När du häller grädde i varmt kaffe, det löses upp och blir krämigt kaffe genom diffusionsprocessen, " förklarade han. "Det liknar processen som styr vilka joner som flödar in och ut ur neuronerna. Diffusion beror på temperatur, så om du har bra koll på värmen, du kontrollerar diffusionshastigheten nära neuronerna. Detta skulle i sin tur påverka cellens elektriska aktivitet. Denna studie visar konceptet att den fototermiska effekten, omvandlar ljus till värme, nära närheten av nanopartiklar märkta neuroner kan användas som ett sätt att kontrollera specifika neuroner på distans."

För att fortsätta med kaffeanalogin, teamet har designat ett fototermiskt skum som liknar en sockerbit, bildar en tät population av nanopartiklar i täta förpackningar som verkar snabbare än enskilda sockerkristaller som sprids, sa Raman.

"Med så många av dem packade i en liten volym, skummet är snabbare på att omvandla ljus till värme och ger effektivare kontroll till endast de neuroner vi vill ha, ", sa han. "Du behöver inte använda högintensiv kraft för att generera samma effekt."

Dessutom, laget, som inkluderar Jon Silva, docent i biomedicinsk teknik, applicerade PDA-nanopartiklarna på kardiomyocyter, eller hjärtmuskelceller. Intressant, den fototermiska processen exciterade kardiomyocyterna, visar att processen kan öka eller minska excitabiliteten i celler beroende på deras typ.

"En cells eller vävnads excitabilitet, oavsett om det är kardiomyocyter eller muskelceller, beror till viss del på diffusion, ", sa Raman. "Medan kardiomyocyter har en annan uppsättning regler, principen som styr känsligheten för temperatur kan förväntas vara liknande."

Nu, teamet tittar på hur olika typer av neuroner reagerar på stimuleringsprocessen. De kommer att rikta in sig på specifika neuroner genom att selektivt binda nanopartiklarna för att ge mer selektiv kontroll.