«Способность к самосборке, реконфигурации и разборке в ответ на химические сигналы — обычная черта биологических материалов, но не созданных человеком», — сказал Мохит Кумар, ведущий автор статьи и ученый из исследовательской группы Рейна Улейна в Нанонауке ASRC. Колледж Инициативы и Охотника. «Если вы хотите интегрировать синтетические материалы в биологию, желателен цельный интерфейс, для которого требуются материалы, которые обладают некоторыми свойствами живой материи. Мы надеемся, что наш подход откроет дверь для материалов, созданных руками человека, которые могут взаимодействовать с живыми системами и восстанавливать их».
Чтобы разработать наноматериалы, которые изменяют конфигурацию в ответ на химические сигналы, исследователи начали с основной молекулы нафталиндиимида (NDI), которая представляет собой органический полупроводник. Молекула была избирательно модифицирована с обеих сторон, подвергая ее биохимическим сигналам в виде простых аминокислот, которые были добавлены в систему. Фермент был использован для включения аминокислот в ядро молекулы, запускающего пути самосборки и разборки.
Этот процесс позволил сформировать и разрушить наноматериалы с проволочными элементами, способными проводить электрические сигналы.Используя разные аминокислоты, исследователи смогли направить разработку наноматериалов с разными свойствами, включая программируемую наноструктуру с возможностью включения и выключения электропроводности с помощью зависящей от времени самосборки и разборки.«Подобно нейронам в головном мозге, эти материалы демонстрируют замечательную способность реконструировать свои электрические связи», — сказал Аллон Хохбаум, соавтор статьи и ученый-материаловед из инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Ирвине (UCI). «Сборка этих молекул закодирована в их динамической химии, поэтому, просто изменяя химические входы, мы можем наблюдать изолирующие наноматериалы, проводящие наноматериалы или наноматериалы, которые динамически переключаются между проводящим и непроводящим состояниями. Тот факт, что их сборка и проводимость эволюционируют в воде, что делает эти материалы еще более привлекательными для применения в области биоинтерфейса ».
Финансирование исследований было предоставлено Управлением научных исследований ВВС и Управлением исследований армии. Исследователи UCI разработали устройства для измерения электропроводности наноматериалов, в то время как исследователи ASRC разработали наноматериалы. Следующим шагом совместной группы будет взаимодействие новых наноматериалов с реальными нейронами, чтобы увидеть, как взаимодействуют созданные человеком и биологические материалы.«Мы хотим посмотреть, сможем ли мы использовать динамические электропроводящие наноматериалы для эффективного взаимодействия с нейронами и вызвать их электрическое срабатывание по требованию», — сказал Рейн Улейн, директор Nanoscience Initiative ASRC. «Мы все еще на раннем этапе работы над этим аспектом работы, но то, что у нас есть на данный момент, — это захватывающий прорыв, который демонстрирует возможность создания материалов, созданных руками человека, которые имитируют сложную динамическую активность биологических систем.
Эти новые наноматериалы обладают способностью реагировать к биологически значимым химическим сигналам и предоставлению электронного интерфейса. В конечном итоге это может открыть новый путь к разработке методов лечения, которые до сих пор были только теоретическими ».