با محکم دور کردن نورون‌ها، این دستگاه‌ها می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا نواحی زیرسلولی مغز را بررسی کنند و احتمالاً حتی به بازیابی برخی از عملکردهای مغز نیز کمک کنند.
دستگاه‌های پوشیدنی مانند ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام با بخش‌هایی از بدن ما تعامل دارند تا فرآیندهای داخلی، مانند ضربان قلب یا مراحل خواب را اندازه‌گیری و از آنها یاد بگیرند.
اکنون، محققان MIT دستگاه‌های پوشیدنی را توسعه داده‌اند که ممکن است بتوانند عملکردهای مشابهی را برای سلول‌های فردی در داخل بدن انجام دهند.
این دستگاه‌های بدون باتری و به اندازه زیرسلولی، که از یک پلیمر نرم ساخته شده‌اند، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به‌آرامی دور بخش‌های مختلف نورون‌ها، مانند آکسون‌ها و دندریت‌ها، بدون آسیب به سلول‌ها، پیچیند. این کار با فعال‌سازی بی‌سیم با نور انجام می‌شود. با پوشش دادن محکم فرآیندهای نورونی، این دستگاه‌ها می‌توانند برای اندازه‌گیری یا مدولاسیون فعالیت الکتریکی و متابولیک نورون‌ها در سطح زیرسلولی مورد استفاده قرار گیرند.
از آنجا که این دستگاه‌ها بی‌سیم و معلق هستند، محققان تصور می‌کنند که هزاران دستگاه کوچک می‌توانند روزی به بدن تزریق شوند و سپس به‌صورت غیرتهاجمی با استفاده از نور فعال شوند. محققان می‌توانند به‌طور دقیق کنترل کنند که چگونه این وسایل به‌آرامی دور سلول‌ها بپیچند، با دستکاری دوز نوری که از خارج بدن تابانده می‌شود و به بافت نفوذ می‌کند تا دستگاه‌ها را فعال کند.
با دربرگرفتن آکسون‌ها که پیام‌های الکتریکی را بین نورون‌ها و به بخش‌های دیگر بدن منتقل می‌کنند، این وسایل می‌توانند به احیای برخی از تخریب‌های نورونی که در بیماری‌هایی مانند اسکلروز چندگانه رخ می‌دهد کمک کنند. در درازمدت، این دستگاه‌ها می‌توانند با مواد دیگر ادغام شوند تا مدارهای کوچکی ایجاد کنند که قادر به اندازه‌گیری و مدولاسیون سلول‌های فردی باشند.
این مفهوم و تکنولوژی پلتفرم که در اینجا معرفی می‌کنیم، مانند سنگ بنایی است که امکانات بی‌نظیری را برای تحقیقات آینده به وجود می‌آورد،” می‌گوید دبلینا سکار، استادیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه MIT و مرکز مهندسی عصبی، که سرپرست آزمایشگاه نانو-سایبرنتیک بیوتک است و نویسنده ارشد مقاله‌ای در مورد این تکنیک است.
سکار در این مقاله به همراه نویسنده اصلی، مارتا جی. آی. آیراغی لکاردی، که یک پژوهشگر سابق MIT و اکنون همکار نوآوری نوارتیس است؛ بنوآ X. E. دِس بیول، یک پژوهشگر پسادکتری MIT؛ آنا Y. حداد ’23، که در زمان این تحقیق یک پژوهشگر کارشناسی MIT بود؛ و دانشجویان تحصیلات تکمیلی MIT، باجو سی. جوی و چن سانگ، حضور دارد. این پژوهش به تازگی در نشریه Nature Communications Chemistry منتشر شده است.
پیچاندن محکم سلول‌ها
سلول‌های مغزی اشکال پیچیده‌ای دارند، که این موضوع ایجاد یک ایمپلنت بیوالکترونیکی که بتواند به‌طور محکم با نورون‌ها یا فرآیندهای نورونی سازگار شود را به شدت دشوار می‌سازد. به عنوان مثال، آکسون‌ها ساختارهای باریک و دمی شکلی هستند که به بدن سلول‌های نورون متصل می‌شوند و طول و انحنا آنها به طور گسترده‌ای متفاوت است.
در همین حال، آکسون‌ها و سایر اجزای سلولی شکننده هستند، بنابراین هر دستگاهی که با آنها ارتباط برقرار می‌کند باید به اندازه کافی نرم باشد تا تماس خوبی برقرار کند بدون اینکه به آنها آسیبی برساند.
برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان MIT دستگاه‌های لایه‌نازک از یک پلیمر نرم به نام آزو بنزن توسعه دادند که به سلول‌هایی که در بر می‌گیرند آسیب نمی‌زنند.
به دلیل یک تغییر ماده‌ای، ورق‌های نازک آزو بنزن هنگام تابش نور، به رول درمی‌آیند و این امکان را می‌دهند که دور سلول‌ها پیچیده شوند. پژوهشگران می‌توانند با تغییر شدت و قطبش نور و همچنین شکل دستگاه‌ها، جهت و قطر رول شدن را به دقت کنترل کنند.
فیلم‌های نازک می‌توانند میکروتیوب‌های کوچکی با قطر کمتر از یک میکرومتر تشکیل دهند. این توانایی به آنها اجازه می‌دهد به‌نرمی، اما به‌طور محکم، دور محورهای خمیده و دندریت‌های بسیار منحنی بپیچند.
“امکان کنترل بسیار دقیق قطر رول کردن وجود دارد. می‌توانید زمانی که به ابعاد خاصی که می‌خواهید رسیدید، توقف کنید و انرژی نور را بر این اساس تنظیم کنید،” سکار توضیح می‌دهد.
نویسندگان روی چندین تکنیک ساخت آزمایش کردند تا فرآیندی پیدا کنند که قابل مقیاس‌پذیری باشد و نیاز به استفاده از اتاق تمیز نیمه‌رسانا نداشته باشد.
ساخت پوشیدنی‌های میکروسکوپی:
آنها با قرار دادن یک قطره آزو بنزن بر روی لایه‌ای موقت که از یک ماده محلول در آب تشکیل شده است، شروع می‌کنند. سپس محققان یک قالب را بر روی قطره پلیمر فشار می‌دهند تا هزاران دستگاه کوچک را بر روی لایه موقت شکل دهند. تکنیک قالب‌زنی به آنها این امکان را می‌دهد که ساختارهای پیچیده‌ای، از مستطیل‌ها تا اشکال گل، ایجاد کنند.
یک مرحله پخت اطمینان حاصل می‌کند که تمام حلال‌ها تبخیر شده‌اند و سپس از فرایند حکاکی برای برداشتن هر ماده‌ای که بین دستگاه‌های جداگانه باقی مانده استفاده می‌شود. در نهایت، لایه sacrificial در آب حل می‌شود و هزاران دستگاه میکروسکوپی به‌صورت آزاد در مایع شناور می‌شوند.
پس از داشتن محلولی حاوی دستگاه‌های شناور، آنها به‌صورت بی‌سیم با استفاده از نور دستگاه‌ها را تحریک کردند تا به چرخش درآیند. آنها متوجه شدند که ساختارهای آزاد شناور می‌توانند شکل خود را برای چند روز پس از پایان تابش نور حفظ کنند.
پژوهشگران مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را برای اطمینان از سازگاری زیستی کامل این روش انجام دادند. پس از ایدئال‌سازی استفاده از نور برای کنترل چرخش، آنها دستگاه‌ها را بر روی نورون‌های موش آزمایش کردند و دریافتند که این دستگاه‌ها می‌توانند به‌طور محکم دور آکسون‌ها و دندریت‌های به شدت منحنی بپیچند بدون اینکه آسیبی به آنها وارد کنند.
برای داشتن ارتباطات نزدیک با این سلول‌ها، دستگاه‌ها باید نرم باشند و بتوانند به این ساختارهای پیچیده شکل بگیرند. این چالشی بود که ما در این کار حل کردیم. ما اولین کسانی بودیم که نشان دادیم آزوبنزن می‌تواند حتی دور سلول‌های زنده بپیچد، او می‌گوید.
بین بزرگ‌ترین چالش‌هایی که با آنها روبه‌رو بودند، توسعه یک فرآیند ساخت مقیاس‌پذیر بود که بتوان آن را خارج از اتاق تمیز انجام داد. آنها همچنین در مورد ضخامت ایده‌آل برای دستگاه‌ها آزمایش کردند، زیرا اگر آنها بیش از حد ضخیم باشند، هنگام رول شدن دچار ترک می‌شوند.
از آنجایی که آزوبنزن عایق است، یکی از کاربردهای مستقیم آن استفاده از دستگاه‌ها به عنوان میلین مصنوعی برای آکسون‌های آسیب‌دیده است. میلین لایه‌ای عایق است که دور آکسون‌ها پیچیده می‌شود و باعث می‌شود تا ان impulها به‌طور مؤثری بین نورون‌ها منتقل شوند.
در بیماری‌های غیرمیلین‌زایی مانند اسکلروز چندگانه، نورون‌ها بخش‌هایی از غلاف‌های میلین عایق را از دست می‌دهند و هیچ روش بیولوژیکی برای بازسازی آنها وجود ندارد. با عمل به عنوان میلین مصنوعی، دستگاه‌های پوشیدنی ممکن است به احیای عملکرد نورون‌ها در بیماران MS کمک کنند.
محققان همچنین نشان دادند که چگونه این دستگاه‌ها می‌توانند با مواد اپتو الکتریکی که می‌توانند سلول‌ها را تحریک کنند، ترکیب شوند. علاوه بر این، مواد فوق‌العاده نازک می‌توانند بر روی دستگاه‌ها الگو برداری شده و همچنان به شکل میکروتیوب‌هایی بچرخند بدون اینکه بشکنند. این امر فرصت‌هایی برای ادغام حسگرها و مدارها در این دستگاه‌ها فراهم می‌کند.
علاوه بر این، به خاطر اینکه این دستگاه‌ها اتصال بسیار محکمی با سلول‌ها برقرار می‌کنند، ممکن است با استفاده از مقدار بسیار کمی انرژی، نواحی زیرسلولی را تحریک کرد. این می‌تواند به محقق یا پزشک این امکان را بدهد که فعالیت الکتریکی نورون‌ها را برای درمان بیماری‌های مغزی تنظیم کند.
سارکار می‌گوید: «نمایش این همکاری بین یک دستگاه مصنوعی و یک سلول با دقتی بی‌نظیر هیجان‌انگیز است. ما نشان داده‌ایم که این فناوری ممکن است.»
به علاوه بررسی این کاربردها، محققان قصد دارند سطح دستگاه‌ها را با مولکول‌هایی کارآمد کنند که به آنها امکان هدف‌گیری نوع خاصی از سلول‌ها یا نواحی زیرسلولی را بدهد.
:Reference
https://scitechdaily.com/researchers-develop-wireless-devices-/small-enough-to-wrap-around-neurons/
