中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
合成微/納馬達是一種微型化裝置，可以通過(guò)轉換外部能量或化學(xué)燃料轉化為自主運動(dòng)，用于靶向給藥、體內成像和微創(chuàng )手術(shù)等。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院彭飛副教授團隊提出，還可以將微納米馬達作為一種與神經(jīng)系統通信的新方式。
通過(guò)鎳-鋅（Ni-Zn）微馬達信號傳導誘導神經(jīng)干細胞定向分化
神經(jīng)干細胞具有自我更新、分化和環(huán)境調節的能力，被認為在中風(fēng)、腦損傷治療和神經(jīng)元再生方面很有前景。內源性神經(jīng)干細胞的激活，吸引著(zhù)越來(lái)越多的研究熱情，避免了免疫排斥和外源性細胞移植的倫理問(wèn)題。然而，如何在原位誘導定向生長(cháng)和分化仍然是一個(gè)主要的挑戰。
近期，彭飛副教授團隊提出了一種基于自建立的電化學(xué)場(chǎng)的非侵入性純水驅動(dòng)的Ni-Zn微馬達（圖1a）。在Zn端，H?被還原生成H?和Zn2?。Zn2?的逐漸積累產(chǎn)生了濃度梯度和驅動(dòng)Ni-Zn微馬達的自構造電場(chǎng)。有趣的是，與以前的化學(xué)驅動(dòng)微馬達相比，Ni-Zn微馬達在運動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生氣泡，從而避免了氣體栓塞。微馬達可以磁引導和精確接近目標神經(jīng)干細胞，在定位和可控性方面具有獨特的優(yōu)勢。水驅動(dòng)的Ni-Zn微馬達在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生Zn2?。Zn2?場(chǎng)和電壓門(mén)控Ca2?通道的激活，導致細胞內Ca2?的短暫變化，從而激活后期神經(jīng)干細胞的分化。接近電池后，由于馬達自身Zn端到Ni端的濃度梯度，在單個(gè)馬達上形成自構造的電場(chǎng)。神經(jīng)干細胞受到Ni-Zn微馬達電場(chǎng)的影響，產(chǎn)生生物電信號，這是誘導神經(jīng)干細胞分化的一個(gè)因素。Zn2?還具有促進(jìn)干細胞增殖、神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)元分化的作用。因此，我們有理由認為，微馬達釋放的Zn2?對維持神經(jīng)干細胞中的Zn2?穩態(tài)具有重要意義。因此，微馬達通過(guò)電化學(xué)場(chǎng)，允許生物電信號與內源性神經(jīng)干細胞進(jìn)行交換和通訊，從而允許在體內調節神經(jīng)元增殖和定向分化（圖1b）。因此，該研究開(kāi)發(fā)了一種結合電和化學(xué)效應的非侵入性和持久的神經(jīng)刺激系統。它使與神經(jīng)干細胞再生和分化相關(guān)的信號通路能夠得到持久的激活。有針對性和持久的效果，同時(shí)避免嚴重的術(shù)后創(chuàng )傷和并發(fā)癥。
該工作以“Directed Neural Stem Cells Differentiation via Signal Communication with Ni-Zn Micromotors”為題，發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials期刊上。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級博士研究生封燁為獨立第一作者，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院彭飛副教授為通訊作者。
納米機器人介導的同步神經(jīng)元激活
在自然界中，從細菌菌落到魚(yú)群，再到哺乳動(dòng)物群體，生物可以聚集在一起形成群體并呈現大規模的集體行為。這些集體群體的例子很有吸引力，獨立的個(gè)體群體通過(guò)通信構建了比自己大幾個(gè)數量級的復雜結構。這種信息交換可以表現為包括振蕩在內的群體模式。操縱神經(jīng)元振蕩和探索信息交換是非常有趣的，這可以為腦科學(xué)、人工智能和機器人技術(shù)提供啟示。但當下人工設計合成交互系統仍然是一個(gè)挑戰。
近期，彭飛副教授團隊提出了振蕩納米機器人的程序化集群，其推進(jìn)和集群背后的場(chǎng)信息作為體外與生物神經(jīng)元通信并觸發(fā)神經(jīng)振蕩的介質(zhì)。如圖2a所示，該研究設計了一個(gè)由近紅外光驅動(dòng)的高度可控的振蕩納米機器人群。納米機器人通過(guò)純水的光催化分解驅動(dòng)電泳（并自建立的化學(xué)-電場(chǎng)梯度）。通過(guò)程序化的近紅外光照射，納米機器人群呈現周期性化學(xué)-電場(chǎng)和集體動(dòng)態(tài)可逆收縮-膨脹-收縮（振蕩）行為。局部視網(wǎng)膜神經(jīng)節細胞（RGC）可以通過(guò)來(lái)自集群的振蕩電場(chǎng)有節奏地激活。神經(jīng)元與編程的納米機器人集群節奏同步。有趣的是，在通過(guò)耦合振蕩使沒(méi)有物理接觸的神經(jīng)元群中觀(guān)察到同步周期性的波紋活動(dòng)，類(lèi)似于自然神經(jīng)系統中的振蕩網(wǎng)絡(luò )（圖2b）。共振允許原本無(wú)法到達毫米級外的神經(jīng)元信號得以傳輸，這不同于神經(jīng)元通常認為需要突觸直接連接和同步的方式。與數量有限的孤立神經(jīng)元相比，神經(jīng)元共振具有重要意義，因為大量同步神經(jīng)元群誘導下游神經(jīng)反應的機會(huì )更高。節律神經(jīng)活動(dòng)還允許在不同時(shí)間窗口（即節律周期的特定階段）進(jìn)行神經(jīng)興奮性調節，以便神經(jīng)元組可以通過(guò)鎖相神經(jīng)振蕩精確地相互作用。這代表該合成可編程振蕩平臺提供了與神經(jīng)元系統通信的新方式。
該工作題以“Nanorobot-Mediated Synchronized Neuron Activation”為題，發(fā)表在A(yíng)CS Nano期刊上。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級博士研究生陳彬為獨立第一作者，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院彭飛副教授為通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金資助項目，廣東省杰出青年科學(xué)基金項目，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的支持。
