دستگاه‌های پوشیدنی، مانند ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام، برای اندازه‌گیری و یادگیری فرآیندهای داخلی، مانند ضربان قلب یا مراحل خواب، با بخش‌هایی از بدن ما تعامل دارند.
اکنون محققان MIT دستگاه‌های پوشیدنی ساخته‌اند که می‌توانند عملکردهای مشابهی را برای سلول‌های فردی در بدن انجام دهند.
این دستگاه‌های بدون باتری در اندازه درون سلولی که از پلیمر نرم ساخته شده‌اند، طراحی شده‌اند تا به آرامی در اطراف بخش‌های مختلف نورون‌ها، مانند آکسون‌ها و دندریت‌ها، بدون آسیب رساندن به سلول‌ها، در صورت تحریک بی‌سیم با نور، پیچیده شوند. با بسته بندی محکم فرآیندهای عصبی، می توان از آنها برای اندازه گیری یا تعدیل فعالیت الکتریکی و متابولیکی یک نورون در سطح درون سلولی استفاده کرد.
از آنجایی که این دستگاه‌ها بی‌سیم و شناور آزاد هستند، محققان تصور می‌کنند که هزاران دستگاه کوچک می‌توانند روزی تزریق شوند و سپس با استفاده از نور به صورت غیرتهاجمی فعال شوند. محققان با دستکاری دوز نور ساطع شده از خارج از بدن که به بافت نفوذ می‌کند و دستگاه‌ها را فعال می‌کند، نحوه پوشیدن به آرامی دور سلول‌ها را کنترل می‌کنند.
این دستگاه‌های پوشیدنی با قرار دادن دور آکسون‌هایی که تکانه‌های الکتریکی را بین نورون‌ها و سایر قسمت‌های بدن منتقل می‌کنند، می‌توانند به بازگرداندن برخی از تخریب‌های عصبی که در بیماری‌هایی مانند مولتیپل اسکلروزیس رخ می‌دهد، کمک کنند. در دراز مدت، این دستگاه ها می توانند با مواد دیگر ادغام شوند تا مدارهای کوچکی ایجاد کنند که می توانند سلول های فردی را اندازه گیری و تعدیل کنند.
دبلینا سارکار، استادیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه و مرکز مهندسی نوروبیولوژی MIT، رئیس آزمایشگاه نانو – Cybernetic Biotrek گفت: “مفهوم و فناوری پلت فرمی که ما در اینجا ارائه می کنیم مانند سنگ بنای است که امکانات بسیار زیادی را برای تحقیقات آینده به ارمغان می آورد.” و نویسنده ارشد مقاله در مورد این تکنیک.
مارتا جی آی ایراقی لکاردی، یک فوق دکترای سابق MIT که اکنون همکار نوآوری Novartis است، در گزارش به سرکار پیوسته است. Benoît XE Desbiolles، MIT MIT; Anna Y. Haddad ’23، که در طول کار یک محقق در مقطع کارشناسی در MIT بود. و دانشجویان فارغ التحصیل MIT باجو سی جوی و چن سونگ. این تحقیق امروز در ظاهر می شود شیمی ارتباطات طبیعت.
سلول های پوشاننده متراکم
سلول‌های مغزی اشکال پیچیده‌ای دارند که ایجاد ایمپلنت بیوالکترونیکی را که می‌تواند نزدیک به نورون‌ها یا فرآیندهای عصبی قرار گیرد، بسیار دشوار می‌کند. به عنوان مثال، آکسون ها ساختارهای نازک و دم مانندی هستند که به بدنه سلولی نورون ها متصل می شوند و طول و انحنای آنها بسیار متفاوت است.
در عین حال، آکسون ها و سایر اجزای سلولی شکننده هستند، بنابراین هر وسیله ای که با آنها در تعامل است باید به اندازه کافی نرم باشد که بدون آسیب رساندن به آنها تماس خوبی برقرار کند.
برای غلبه بر این چالش ها، محققان MIT دستگاه های لایه نازکی از پلیمر نرمی به نام آزوبنزن ساختند که به سلول های اطراف آن آسیب نمی رساند.
به دلیل دگرگونی مواد، ورقه های نازک آزوبنزن زمانی که در معرض نور قرار می گیرند، غلت می خورند و به آنها اجازه می دهد در اطراف سلول ها بپیچند. محققان می توانند با تغییر شدت و قطبش نور و همچنین شکل دستگاه ها، جهت و قطر نورد را به طور دقیق کنترل کنند.
لایه های نازک می توانند میکرولوله های کوچکی با قطر کمتر از یک میکرومتر تشکیل دهند. این به آنها اجازه می دهد تا به آرامی اما محکم دور آکسون ها و دندریت ها با انحنای زیاد بپیچند.
“امکان کنترل بسیار دقیق قطر نورد وجود دارد. سرکار توضیح می‌دهد که اگر بخواهید می‌توانید با تنظیم انرژی نور به یک بعد خاص، متوقف شوید.
محققان چندین تکنیک ساخت را آزمایش کردند تا فرآیندی را بیابند که مقیاس پذیر باشد و نیازی به استفاده از اتاق تمیز نیمه هادی نداشته باشد.
ساخت پوشیدنی های میکروسکوپی
آنها با استفاده از یک قطره آزوبنزن به یک لایه قربانی متشکل از یک ماده محلول در آب شروع می شوند. محققان سپس مهری را بر روی قطره پلیمر فشار می دهند تا هزاران دستگاه کوچک روی لایه قربانی تشکیل شود. تکنیک منبت به آنها اجازه می دهد تا ساختارهای پیچیده ای از مستطیل گرفته تا شکل گل ایجاد کنند.
یک مرحله پخت تضمین می‌کند که همه حلال‌ها تبخیر می‌شوند و سپس از اچ برای خراش دادن مواد باقی‌مانده بین دستگاه‌ها استفاده می‌کنند. در نهایت، آنها لایه قربانی را در آب حل می کنند و هزاران دستگاه میکروسکوپی را آزادانه در مایع شناور می کنند.
هنگامی که آنها راه حلی با دستگاه های شناور آزاد دارند، دستگاه ها را به صورت بی سیم با نور روشن می کنند تا دستگاه ها رول شوند. آنها دریافتند که سازه های شناور آزاد می توانند شکل خود را برای روزها پس از خاموش کردن چراغ ها حفظ کنند.
محققان مجموعه ای از آزمایش ها را برای اطمینان از زیست سازگاری کل روش انجام دادند.
پس از تکمیل استفاده از نور برای کنترل نورد، آنها دستگاه‌ها را روی نورون‌های موش آزمایش کردند و دریافتند که می‌توانند بدون ایجاد آسیب حتی به دور آکسون‌ها و دندریت‌های بسیار خمیده بپیچند.
“برای داشتن رابط های صمیمی با این سلول ها، دستگاه ها باید نرم و قادر به انطباق با این ساختارهای پیچیده باشند. این چالشی است که ما در این کار حل کردیم. ما اولین کسی بودیم که نشان دادیم آزوبنزن حتی می تواند خود را در اطراف سلول های زنده بپیچد.
یکی از بزرگترین چالش هایی که آنها با آن روبرو هستند، توسعه یک فرآیند تولید مقیاس پذیر است که می تواند خارج از یک اتاق تمیز انجام شود. آنها همچنین ضخامت ایده‌آل برای دستگاه‌ها را تکرار کردند، زیرا ضخامت‌های بیش از حد باعث ترک خوردن آنها در هنگام نورد می‌شوند.
از آنجایی که آزوبنزن یک عایق است، یک کاربرد مستقیم استفاده از دستگاه ها به عنوان میلین مصنوعی برای آکسون هایی است که آسیب دیده اند. میلین یک لایه عایق است که دور آکسون ها می پیچد و به تکانه های الکتریکی اجازه می دهد به طور موثر بین نورون ها حرکت کنند.
در بیماری های غیر میلین مانند مولتیپل اسکلروزیس، نورون ها برخی از ورقه های عایق میلین را از دست می دهند. هیچ راه بیولوژیکی برای بازسازی آنها وجود ندارد. با عمل به عنوان میلین مصنوعی، دستگاه های پوشیدنی می توانند به بازیابی عملکرد عصبی در بیماران ام اس کمک کنند.
محققان همچنین نشان دادند که چگونه می‌توان این دستگاه‌ها را با مواد اپتوالکتریک ترکیب کرد که می‌توانند سلول‌ها را تحریک کنند. علاوه بر این، مواد نازک اتمی را می توان بر روی دستگاه ها طرح ریزی کرد که همچنان می توان آنها را غلت داد تا بدون شکستگی، میکرولوله ها را تشکیل دهند. این امکان را برای ادغام سنسورها و مدارها در دستگاه ها باز می کند.
علاوه بر این، از آنجا که آنها ارتباط نزدیکی با سلول ها برقرار می کنند، می توان از انرژی بسیار کمی برای تحریک مناطق زیر سلولی استفاده کرد. این می تواند به یک محقق یا پزشک اجازه دهد تا فعالیت الکتریکی نورون ها را برای درمان بیماری های مغزی تعدیل کند.
نشان دادن این همزیستی یک دستگاه مصنوعی با یک سلول با وضوح بی‌سابقه هیجان‌انگیز است. ما نشان داده‌ایم که این فناوری ممکن است.»
علاوه بر کاوش در این کاربردها، محققان می‌خواهند سطوح دستگاه‌ها را با مولکول‌هایی کاربردی کنند که به آنها اجازه می‌دهد تا انواع سلول یا مناطق درون سلولی خاص را هدف قرار دهند.
این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم سوئیس و ابتکار مغز مؤسسه ملی سلامت ایالات متحده پشتیبانی شد.
