一种新技术可以增强科学家利用光与神经细胞进行交流的能力

卡内基梅隆大学的研究人员领导的一个团队创造了一种新技术，可以增强科学家利用光与神经细胞进行交流的能力。生物医学工程与材料科学与工程学副教授Tzahi Cohen-Karni领导了一个团队，该团队在纳米线模板上合成了三维模糊石墨烯，从而创建了一种用于光热刺激细胞的优质材料。NW模板化的三维(3D)模糊石墨烯(NT-3DFG)可以进行远程光刺激，而无需进行基因改造，并且比可用材料使用的能量少几个数量级，从而防止了细胞应激。

石墨烯丰富，便宜且具有生物相容性。Cohen-Karni的实验室已经与石墨烯合作了多年，开发了一种在3D拓扑结构中合成材料的技术，该技术被他称为“模糊”石墨烯。通过在硅纳米线结构上平面外生长二维(2D)石墨烯薄片，他们能够创建具有宽带光吸收和无与伦比的光热效率的3D结构。

这些特性使其非常适合通过光电容效应利用光进行细胞电生理调节。由于快速施加的光脉冲，光阻效应改变了细胞膜的电容。NT-3DFG可以轻松制成悬浮液，从而可以研究2D细胞系统和3D内部和之间的细胞信号传导，例如基于人类细胞的类器官。

这样的系统不仅对于理解细胞之间如何信号传递和相互作用至关重要，而且对于开发新的治疗性干预措施也具有巨大的潜力。然而，由于现有的光学远程控制技术存在蜂窝压力的风险，对这些机会的探索受到了限制。NT-3DFG的使用通过显着减少能耗，减少了1-2个数量级，从而消除了这种风险。其生物相容性表面易于化学修饰，使其可用于不同类型和环境的细胞。使用NT-3DFG，可以开发光热刺激治疗来促进运动恢复，以诱导肌肉活化，或者可以指导类器官系统中的组织发育。

Cohen-Karni说：“这是来自多个领域的专家的杰出合作成果，包括通过Pitt和UChicago进行的神经科学以及通过UNC和CMU进行的光子学和材料科学。”“这项先进的技术将使我们能够与工程组织或神经或肌肉组织在体内相互作用。这将使我们能够使用具有高精确度和低能耗的远程照明来控制和影响组织的功能。”

电气和计算机工程助理教授Maysam Chamanzar对该项目做出了其他贡献。他的团队在光子学和神经技术方面的核心专业知识帮助开发了急需的工具，既可以表征独特的混合纳米材料，又可以在光学记录细胞活动的同时刺激细胞。

“这些3D纳米材料的宽带吸收使我们能够使用波长可以穿透到组织深处的光束以远程激发神经细胞。从设计无创疗法到基础科学研究，该方法可以用于整个应用领域。 ”，Chamanzar说。

该团队的发现对于我们对细胞相互作用的理解以及利用人体自身细胞潜力的疗法的发展都具有重要意义。使用NT-3DFG创建的纳米结构可能会对人类生物学和医学的未来产生重大影响。