Advanced Functional Materials:光控微纳米马达精准调节视网膜神经节细胞活动

近日,中山大学材料科学与工程学院彭飞副教授团队与南方医科大学涂盈锋教授团队在微纳米马达精确调节神经元细胞活性领域取得了新的研究进展。研究结果以“Photoelectrochemical TiO2-Au-Nanowire-Based Motor for Precise Modulation of Single-Neuron Activities(基于光电化学TiO2-Au纳米线马达精确调节单个神经元细胞活性)”为题,在国际科学期刊Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202008667) (IF=16.836)在线发表。该文主要开发了一种基于马达的神经刺激策略,代表了一种精确、无创地传递生物电信号和调节神经元活动的新方法。

视觉损伤甚至失明一直是医学治疗的重大课题。视网膜神经节细胞(RGCs)的辅助激活则有助于视觉信号转导回路的恢复。据报道,人工光感受器产生的电刺激可以通过打开钙离子通道使细胞兴奋。但目前人工光感受器材料体积庞大,需要手术植入,侵入性是一个不可避免的主要问题,限制了它们在生物体中的应用。鉴于此,在神经刺激领域还缺乏一种无创、高度可控的方法。

为了解决这一难题,团队展开合作,成功地构建并演示了由UV光(365 nm)驱动TiO2-Au 纳米线(NW)马达利用固有产生的光电流实现目标RGC的高精度激活。在UV光照射下,通过光电效应和光化学水分解的协同作用,电化学反应下马达的自电泳机制在整个TiO2-Au NW马达上建立了局部电场。通过调节光的方向,可以驱动马达以高精度靶向到目标RGC细胞。马达自身产生的光电流随后被传输并成功激活RGC细胞,从而实现了细胞与纳米线之间的信号传输。由于NW的小尺寸和柔性以及良好的半导体性能,TiO2-Au马达有效地实现了神经刺激。高度可控的马达的应用也代表了一种以优越的时空精度连接神经系统的新方法。我们首次证明了马达的光电转换能力,除了提供驱动力外,还可以产生生物电信号来调节神经元活动,这对于实现精准的、非侵入性的生物信号转导以及与生物系统的通信具有重要意义。

中山大学材料科学与工程学院为本文第一单位。研究生陈彬为本文的第一作者。奈梅亨大学Daniela A. Wilson教授参与了本项研究,为论文的共同作者。