NBE（IF=29）| 清华大学盛兴等团队开发了用于光电激发和抑制神经活动的生物可吸收薄膜硅二极管

可以通过利用光响应纳米材料作为对神经元或神经组织施加光热、光电化学或光电容效应的界面来调节神经活动。

2022年9月5日，清华大学盛兴，中国科学院先进技术研究院李骁健和北京理工大学Wang Shirong共同通讯在Nature Biomedical Engineering（IF=29）在线发表题为“Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities”的研究论文，该研究展示了生物可吸收薄膜单晶硅 pn 二极管可用于通过在半导体/溶液界面处建立极性相关的正或负光电压来光电激发或抑制神经活动。

在激光照射下，硅二极管光电接口允许培养神经元的确定性去极化或超极化以及上调或下调的细胞内钙动力学。光电接口也可以安装在神经组织上，以激活或抑制外周和中枢神经组织中的神经活动，正如在暴露坐骨神经和体感皮层的小鼠中所展示的那样。选择性地激发或抑制神经组织的生物可吸收硅基光电薄膜可能会发现有利的生物医学应用。

技术进步推动了神经科学和神经疾病治疗的进步。以高时空分辨率精确激发和/或抑制神经活动将有利于神经科学研究，并可能产生临床影响。通过传统的电子植入物调节神经系统，伴随着庞大的侵入性系统，可能导致不需要的炎症反应，但可以通过小型化和无线供电的电路部分缓解。基于药物的调制通常缺乏精确和实时控制剂量的能力，并且与不需要的副作用有关。最近，已经探索了基于交变电场、超声和磁力的用于神经调制的非侵入性或微创方法。光遗传学方法由于其高时空分辨率和最小侵入性，代表了具有高细胞特异性的精确神经调制的强大工具箱。各种光敏离子通道可以在细胞膜中表达，并允许在中枢和周围神经系统的细胞水平上进行光激活和抑制。然而，对基因改造的需求阻碍了它们的临床可转化性。或者，附着在细胞膜上的纳米颗粒和分子光开关可以引起光化学或光机械反应，并在光刺激下引起非遗传细胞去极化和超极化；然而，这些纳米级聚集体可能会导致细胞毒性，并且与材料装载、扩散和体内追踪过程中的不确定性有关。

最近，光诱导的物理刺激（通过由水、金属、有机、无机或石墨烯材料引起的光热、光电、光声或光电化学效应）已被用于远程非遗传神经调节。基于光热的神经活动的激活和抑制归因于激活的瞬时高温升高和抑制热相关离子通道的可能机制。这些规定必须在复杂的生物环境中采用精心控制的热强度和持续时间，以防止细胞功能障碍甚至不可逆的损害。光电过程基于光电化学和/或光电容效应将光子转换为电流。已经在体外和体内研究了用于神经激发的光电方法的能力，但很少探索它们的神经抑制能力。尽管电诱导的细胞去极化和超极化已被很好地理解，但仍需要开发用于实现远程和精确的神经兴奋和抑制的光电技术。

在该研究中，提出了一种远程和非遗传光电子策略，利用柔性和生物可吸收硅 (Si) 膜来实现确定性神经兴奋和抑制。具体来说，基于硅的薄膜 pn 二极管产生光诱导的正负电场，当薄膜与培养的神经元接触时，这会导致光诱发细胞去极化和超极化以及细胞内钙动力学的调节。此外，这些光电接口能够对周围和中枢神经组织进行选择性的体内激发和抑制（取决于硅二极管的极性）。硅膜具有生物相容性，可在动物体内自然溶解。总之，选择性地激发或抑制神经组织的生物可吸收硅基光电薄膜可能会发现有利的生物医学应用。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00931-0

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！