I nanomateriali sono stati utilizzati in una varietà di applicazioni emergenti, come nei prodotti farmaceutici mirati o per rafforzare altri materiali e prodotti come sensori e dispositivi di raccolta e stoccaggio dell'energia. Un team della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis sta usando le nanoparticelle come riscaldatori per manipolare l'attività elettrica dei neuroni nel cervello e dei cardiomiociti nel cuore.

Le scoperte, pubblicato il 3 luglio 2021, in Materiale avanzato , hanno il potenziale per essere tradotti in altri tipi di cellule eccitabili e servire come strumento prezioso nella nano-neuroingegneria.

Srikanth Singamaneni, uno scienziato dei materiali, e Barani Raman, un ingegnere biomedico, ei loro team hanno collaborato per sviluppare una tecnologia non invasiva che inibisca l'attività elettrica dei neuroni utilizzando nanoparticelle di polidopamina (PDA) e luce nel vicino infrarosso. Le nanoparticelle PDA caricate negativamente, che si legano selettivamente ai neuroni, assorbire la luce del vicino infrarosso che crea calore, che viene poi trasferito ai neuroni, inibendo la loro attività elettrica.

"Abbiamo dimostrato che possiamo inibire l'attività di questi neuroni e fermare la loro attivazione, non solo acceso e spento, ma in modo graduale, " disse Singamaneni, la Lilyan &E. Lisle Hughes Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali. "Controllando l'intensità della luce, possiamo controllare l'attività elettrica dei neuroni. Una volta che abbiamo fermato la luce, possiamo riportarli completamente indietro senza alcun danno."

Oltre alla loro capacità di convertire efficacemente la luce in calore, le nanoparticelle PDA sono altamente biocompatibili e biodegradabili. Le nanoparticelle alla fine si degradano, rendendoli uno strumento conveniente per l'uso in esperimenti in vitro e in vivo in futuro.

Raman, professore di ingegneria biomedica, confronta il processo con l'aggiunta di panna a una tazza di caffè.

"Quando versi la panna nel caffè caldo, si dissolve e diventa caffè cremoso attraverso il processo di diffusione, " ha spiegato. "È simile al processo che controlla quali ioni fluiscono dentro e fuori i neuroni. La diffusione dipende dalla temperatura, quindi se hai una buona padronanza del calore, controlli la velocità di diffusione vicino ai neuroni. Ciò a sua volta avrebbe un impatto sull'attività elettrica della cellula. Questo studio dimostra il concetto che l'effetto fototermico, trasformare la luce in calore, vicino a neuroni etichettati con nanoparticelle può essere usato come un modo per controllare neuroni specifici da remoto".

Per continuare l'analogia con il caffè, il team ha progettato una schiuma fototermica simile a una zolletta di zucchero, formando una densa popolazione di nanoparticelle in un imballaggio stretto che agisce più rapidamente dei singoli cristalli di zucchero che si disperdono, ha detto Raman.

"Con così tanti di loro confezionati in un piccolo volume, la schiuma è più veloce nel trasdurre la luce in calore e dà un controllo più efficiente solo ai neuroni che vogliamo, " ha detto. "Non è necessario utilizzare il potere ad alta intensità per generare lo stesso effetto."

Inoltre, Il gruppo, che include Jon Silva, professore associato di ingegneria biomedica, applicato le nanoparticelle PDA ai cardiomiociti, o cellule del muscolo cardiaco. interessante, il processo fototermico ha eccitato i cardiomiociti, mostrando che il processo può aumentare o diminuire l'eccitabilità nelle cellule a seconda del loro tipo.

"L'eccitabilità di una cellula o di un tessuto, che si tratti di cardiomiociti o cellule muscolari, dipende in una certa misura dalla diffusione, " ha detto Raman. "Mentre i cardiomiociti hanno un diverso insieme di regole, ci si può aspettare che il principio che controlla la sensibilità alla temperatura sia simile."

Ora, il team sta esaminando come i diversi tipi di neuroni rispondono al processo di stimolazione. Prenderanno di mira particolari neuroni legando selettivamente le nanoparticelle per fornire un controllo più selettivo.