Nel film di fantascienza del 1966 "Fantastic Voyage, Gli scienziati miniaturizzano un sottomarino con se stessi all'interno e viaggiano attraverso il corpo di un collega per rompere un coagulo di sangue potenzialmente fatale. Giusto. Micro-umani a parte, immagina l'infiammazione che causerebbe il sottomarino di metallo.

Idealmente, i dispositivi medici iniettabili o impiantabili non dovrebbero essere solo piccoli ed elettricamente funzionanti, dovrebbero essere morbidi, come i tessuti del corpo con cui interagiscono. Gli scienziati di due laboratori di UChicago hanno cercato di vedere se potevano progettare un materiale con tutte e tre queste proprietà.

Il materiale che hanno inventato, pubblicato online il 27 giugno 2016, in Materiali della natura , costituisce la base di un ingegnoso dispositivo iniettabile attivato dalla luce che potrebbe eventualmente essere utilizzato per stimolare le cellule nervose e manipolare il comportamento di muscoli e organi.

"La maggior parte dei materiali tradizionali per impianti sono molto rigidi e ingombranti, soprattutto se vuoi fare la stimolazione elettrica, " ha detto Bozhi Tian, un assistente professore di chimica il cui laboratorio ha collaborato con quello del neuroscienziato Francisco Bezanilla alla ricerca.

Il nuovo materiale, in contrasto, è morbido e minuscolo:particelle di appena pochi micrometri di diametro (molto meno della larghezza di un capello umano) che si disperdono facilmente in una soluzione salina in modo da poter essere iniettate. Le particelle si degradano naturalmente anche all'interno del corpo dopo pochi mesi, quindi non sarebbe necessario alcun intervento chirurgico per rimuoverli.

"spugna" su nanoscala

Ogni particella è costituita da due tipi di silicio che insieme formano una struttura ricca di pori su scala nanometrica, come una piccola spugna. E come una spugna, è morbido:da cento a mille volte meno rigido del familiare silicio cristallino utilizzato nei transistor e nelle celle solari. "È paragonabile alla rigidità delle fibre di collagene nei nostri corpi, " ha detto Yuanwen Jiang, Studente laureato di Tian. "Quindi stiamo creando un materiale che corrisponda alla rigidità del tessuto reale".

Il materiale costituisce la metà di un dispositivo elettrico che si crea spontaneamente quando una delle particelle di silicio viene iniettata in una coltura cellulare, o, infine, un corpo umano. La particella si attacca a una cellula, creando un'interfaccia con la membrana plasmatica della cellula. Questi due elementi insieme - membrana cellulare più particella - formano un'unità che genera corrente quando la luce viene riflessa sulla particella di silicio.

"Non è necessario iniettare l'intero dispositivo, è sufficiente iniettare un componente, " João L. Carvalho-de-Souza , Ha detto il postdoc di Bezanilla. "Questa connessione di una singola particella con la membrana cellulare consente una generazione sufficiente di corrente che potrebbe essere utilizzata per stimolare la cellula e modificare la sua attività. Dopo aver raggiunto il tuo obiettivo terapeutico, il materiale si degrada naturalmente. E se vuoi fare di nuovo la terapia, fai un'altra iniezione."

Gli scienziati hanno costruito le particelle utilizzando un processo che chiamano nanofusione. Fabbricano uno stampo di biossido di silicio composto da minuscoli canali - "nano-fili" - di circa sette nanometri di diametro (meno di 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano) collegati da "micro-ponti" molto più piccoli. Nello stampo iniettano gas silano, che riempie i pori e i canali e si decompone in silicio.

Ed è qui che le cose si fanno particolarmente astute. Gli scienziati sfruttano il fatto che più un oggetto è piccolo, più gli atomi sulla sua superficie dominano le sue reazioni a ciò che gli sta intorno. I micro-ponti sono minuti, quindi la maggior parte dei loro atomi sono sulla superficie. Questi interagiscono con l'ossigeno presente nello stampo del biossido di silicio, creando micro-ponti in silicio ossidato ricavato da materiali a portata di mano. I nanofili molto più grandi hanno proporzionalmente meno atomi di superficie, sono molto meno interattivi, e rimangono per lo più silicio puro.

"Questa è la bellezza della nanoscienza, "Ha detto Jiang. "Ti permette di progettare composizioni chimiche semplicemente manipolando le dimensioni delle cose".

Nanostruttura simile al web

Finalmente, lo stampo è sciolto. Ciò che rimane è una struttura simile a una ragnatela di nanofili di silicio collegati da micro-ponti di silicio ossidato che possono assorbire l'acqua e contribuire ad aumentare la morbidezza della struttura. Il silicio puro conserva la sua capacità di assorbire la luce.

Gli scienziati hanno aggiunto le particelle sui neuroni in coltura in laboratorio, brillava di luce sulle particelle, e visto il flusso di corrente nei neuroni che attiva le cellule. Il prossimo passo è vedere cosa succede negli animali vivi. Sono particolarmente interessati a stimolare i nervi del sistema nervoso periferico che si collegano agli organi. Questi nervi sono relativamente vicini alla superficie del corpo, così la luce d'onda del vicino infrarosso può raggiungerli attraverso la pelle.

Tian immagina di utilizzare i dispositivi attivati ​​dalla luce per ingegnerizzare i tessuti umani e creare organi artificiali per sostituire quelli danneggiati. Attualmente, gli scienziati possono creare organi ingegnerizzati con la forma corretta ma non la funzione ideale.

Per far funzionare correttamente un organo costruito in laboratorio, dovranno essere in grado di manipolare singole cellule nel tessuto ingegnerizzato. Il dispositivo iniettabile consentirebbe a uno scienziato di farlo, modificare una singola cella usando un raggio di luce strettamente focalizzato come un meccanico che raggiunge un motore e gira un singolo bullone. La possibilità di fare questo tipo di biologia sintetica senza l'ingegneria genetica è allettante.

"Nessuno vuole che la sua genetica venga alterata, " Ha detto Tian. "Può essere rischioso. C'è bisogno di un sistema non genetico che possa ancora manipolare il comportamento cellulare. Questo potrebbe essere quel tipo di sistema."

Yuanwen Jiang, studente laureato di Tian, ​​si è occupato dello sviluppo materiale e della caratterizzazione del progetto. La parte biologica della collaborazione è stata svolta nel laboratorio di Francisco Bezanilla, il Lillian Eichelberger Cannon Professore di Biochimica e Biologia Molecolare, dal postdoc João L. Carvalho-de-Souza. Li avevamo, disse Tian, gli "eroi" dell'opera.