Ilustración esquemática de una interfaz termo-plasmónica impresa por inyección de tinta para la neuromodulación modelada en una red neuronal cultivada in vitro. Crédito:KAIST
Un equipo de KAIST presentó un método de estimulación neuronal altamente personalizable. El equipo de investigación desarrolló una tecnología que puede imprimir el patrón de calor en una escala de micrones para permitir el control de las actividades biológicas de forma remota. Los investigadores integraron una tecnología de impresión de inyección de tinta de precisión con nanopartículas termo-plasmónicas bio-funcionales para lograr un método selectivo de estimulación neuronal nano-fototérmica. El equipo de investigación del profesor Yoonkey Nam en el Departamento de Ingeniería Biológica y Cerebral espera que esto sirva como una tecnología habilitadora para la terapia de neuromodulación de precisión personalizada para pacientes con trastornos neurológicos.
El método de estimulación neuronal nano-fototérmica utiliza el efecto termo-plasmónico de nanopartículas metálicas para modular las actividades de las redes neuronales. Con el efecto termo-plasmónico, Las nanopartículas de metal pueden absorber una longitud de onda específica de luz iluminada para generar calor localizado de manera eficiente. El equipo de investigación descubrió el comportamiento inhibitorio de las actividades espontáneas de las neuronas tras la estimulación fototérmica hace cuatro años. Desde entonces, han desarrollado esta tecnología para controlar comportamientos hiperactivos de neuronas y circuitos neurales, que se encuentra a menudo en trastornos neurológicos como la epilepsia.
Un ejemplo de una imagen de nanopartículas termoplásmónicas impresas por inyección de tinta sobre un sustrato flexible en alta resolución espacial en un área grande (izquierda), y patrones de calor generados de forma remota a partir de la imagen impresa (derecha). Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Para superar la limitación de la selectividad espacial y la resolución del método nano-fototérmico desarrollado anteriormente, el equipo adoptó una tecnología de impresión por inyección de tinta para micro-modelar las nanopartículas plasmónicas (unas pocas decenas de micrones), y demostró con éxito que la estimulación nano-fototérmica se puede aplicar selectivamente de acuerdo con los patrones impresos.
Los investigadores aplicaron un método de recubrimiento de polielectrolitos capa por capa a los sustratos de impresión para mejorar la fidelidad del patrón y lograr el ensamblaje uniforme de las nanopartículas. La atracción electrostática entre las nanopartículas impresas y el sustrato de impresión recubierto también ayudó a la estabilidad de las nanopartículas adheridas. Debido a que el recubrimiento de polielectrolito es biocompatible, Los experimentos biológicos, incluido el cultivo celular, son posibles con la tecnología desarrollada en este trabajo.
Usando partículas de nanovarillas de oro impresas con una resolución de unas pocas decenas de micrones en un área de varios centímetros, Los investigadores demostraron que se pueden formar con precisión patrones de calor altamente complejos con iluminación de luz de acuerdo con la imagen de impresión.
Finalmente, El equipo confirmó que los patrones de calor impresos pueden inhibir de forma selectiva e instantánea las actividades de las neuronas del hipocampo cultivadas en la iluminación con luz infrarroja cercana. Debido a que el proceso de impresión es aplicable a sustratos delgados y flexibles, la tecnología se puede aplicar fácilmente a dispositivos implantables para el tratamiento de trastornos neurológicos y dispositivos portátiles. Al aplicar selectivamente los patrones de calor solo a las áreas celulares deseadas, Se puede aplicar a los pacientes una terapia de neuromodulación fototérmica personalizada y personalizada.
"El hecho de que cualquier patrón de calor deseado pueda simplemente 'imprimirse' en cualquier lugar amplía la aplicabilidad de esta tecnología en muchos campos de la ingeniería. En bioingeniería, se puede aplicar a interfaces neuronales utilizando luz y calor para modular las funciones fisiológicas. Como otra aplicación de ingeniería, por ejemplo, los patrones de calor impresos se pueden utilizar como un nuevo concepto de aplicaciones contra la falsificación, "dijo el investigador principal, Yoonkey Nam en KAIST.
