中大新聞網訊（通訊員彭飛）合成微/納馬達是一種微型化裝置，可以通過轉換外部能量或化學燃料轉化為自主運動，用于靶向給藥、體內成像和微創手術等。中山大學材料科學與工程學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系統通信的新方式。
通過Ni-Zn微馬達信號傳導誘導神經干細胞定向分化
神經干細胞具有自我更新、分化和環境調節的能力，被認為在中風、腦損傷治療和神經元再生方面很有前景。內源性神經干細胞的激活，吸引著越來越多的研究熱情，避免了免疫排斥和外源性細胞移植的倫理問題。然而，如何在原位誘導定向生長和分化仍然是一個主要的挑戰。
彭飛副教授團隊提出了一種基于自建立的電化學場的非侵入性純水驅動的Ni-Zn微馬達（圖1a）。在Zn端，H+被還原生成H2和Zn2+。Zn2+的逐漸積累產生了濃度梯度和驅動Ni-Zn微馬達的自構造電場。有趣的是，與以前的化學驅動微馬達相比，Ni-Zn微馬達在運動過程中沒有產生氣泡，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干細胞，在定位和可控性方面具有獨特的優勢。水驅動的Ni-Zn微馬達在運動過程中產生Zn2+。Zn2+場和電壓門控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，在單個馬達上形成自構造的電場。神經干細胞受到Ni-Zn微馬達電場的影響，產生生物電信號，這是誘導神經干細胞分化的一個因素。Zn2+還具有促進干細胞增殖、神經發生和神經元分化的作用。因此，我們有理由認為，微馬達釋放的Zn2+對維持神經干細胞中的Zn2+穩態具有重要意義。因此，微馬達通過電化學場，允許生物電信號與內源性神經干細胞進行交換和通訊，從而允許在體內調節神經元增殖和定向分化（圖1b）。因此，該研究開發了一種結合電和化學效應的非侵入性和持久的神經刺激系統。它使與神經干細胞再生和分化相關的信號通路能夠得到持久的激活。有針對性和持久的效果，同時避免嚴重的術后創傷和并發癥。
圖1 Ni-Zn微馬達的制備及靶向激活神經干細胞和引導細胞分化的示意圖
該工作題為“Directed Neural Stem Cells Differentiation via Signal Communication with Ni-Zn Micromotors”，發表于Advanced Materials。中山大學材料科學與工程學院2021級博士研究生封燁為獨立第一作者，中山大學材料科學與工程學院彭飛副教授為通訊作者。
納米機器人介導的同步神經元激活
在自然界中，從細菌菌落到魚群，再到哺乳動物群體，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，獨立的個體群體通過通信構建了比自己大幾個數量級的復雜結構。這種信息交換可以表現為包括振蕩在內的群體模式。操縱神經元振蕩和探索信息交換是非常有趣的，這可以為腦科學、人工智能和機器人技術提供啟示。但當下人工設計合成交互系統仍然是一個挑戰。
該團隊提出了振蕩納米機器人的程序化集群，其推進和集群背后的場信息作為體外與生物神經元通信并觸發神經振蕩的介質。如圖2a所示，設計了一個由近紅外光驅動的高度可控的振蕩納米機器人群。納米機器人通過純水的光催化分解驅動電泳（并自建立的化學-電場梯度）。通過程序化的近紅外光照射，納米機器人群呈現周期性化學-電場和集體動態可逆收縮-膨脹-收縮（振蕩）行為。局部視網膜神經節細胞（RGC）可以通過來自集群的振蕩電場有節奏地激活（圖2a ii和iii）。神經元與編程的納米機器人集群節奏同步。有趣的是，在通過耦合振蕩使沒有物理接觸的神經元群中觀察到同步周期性的波紋活動，類似于自然神經系統中的振蕩網絡（圖2b）。共振允許原本無法到達毫米級外的神經元信號得以傳輸，這不同于神經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元相比，神經元共振具有重要意義，因為大量同步神經元群誘導下游神經反應的機會更高。節律神經活動還允許在不同時間窗口（即節律周期的特定階段）進行神經興奮性調節，以便神經元組可以通過鎖相神經振蕩精確地相互作用。這代表我們的合成可編程振蕩平臺提供了與神經元系統通信的新方式。
圖2 編序化NIR下的振蕩納米機器人集群和不同區域神經元群的同步周期性漣漪的示意圖
該工作題為“Nanorobot-Mediated Synchronized Neuron Activation”，發表于ACS Nano。中山大學材料科學與工程學院2022級博士研究生陳彬為獨立第一作者，中山大學材料科學與工程學院彭飛副教授為通訊作者。
相關工作得到國家自然科學基金資助項目，廣東省杰出青年科學基金項目，國家重點研發計劃項目的支持。
論文鏈接：
