学科交叉《AFM》！一种新型马达应用于单神经元活动的精确调节

编辑推荐：本文提出了一种基于复合TiO2-Au纳米线(NWs)的新型马达，由超低紫外(UV)辐射产生的局部电场驱动，作为与神经细胞的交互式生物电接口。这种基于运动的策略，代表了一种精确和非侵入性的生物电信号传递和神经元活动调节的新方法。

通过合成微米/纳米马达，能够将外部能量转化为自主运动并完成复杂操作的小型化机器人。微/纳米马达具有快速移动、有效拖运货物和有效穿透能力等优点，在生物医学领域具有广阔的应用前景。这一极具应用前景的研究领域正在迅速发展，展示了在多个领域的潜力。虽然它们的运动和动量能力已经在医学治疗中得到探索，包括显微外科手术和诊断，但将它们的内在能量转化为可用形式的方面仍未被探索。

中山大学Yingfeng Tu和南方医科大学Fei Peng等，首次报道了在生物系统中，用于提供推力和交互提示的马达的光电转换能力的研究。相关论文以题为“Photoelectrochemical TiO2-Au-Nanowire-Based Motor for Precise Modulation of Single-Neuron Activities”发表在Advanced Functional Materials上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202008667

实验表明，TiO2-Au NW复合体系表现出良好的光电化学效率。在超低强度紫外光照射下，产生了稳定的梯度光电场，有效地促进了推进能力。此外，超低强度紫外线辐射的生物相容性得到了证实，确保了神经元RGC细胞的生存能力。对于潜在的体内眼科手术应用，紫外光只需要穿过透明角膜、晶状体和玻璃体(类似于光转换过程)。在这个光场中，所提出的NW马达系统可以在速度和方向上实现高效和高度可控的运动。本文首次提出了利用TiO2-Au马达产生的固有光电效应，作为刺激来激活目标神经元细胞并调节其电生理过程的新方法。TiO2-Au NW马达产生的局部产生的光电信号被成功地证明与生物学相关。TiO2-AuNW马达可以为无损伤和高度可控的方式完成感觉恢复奠定基础，并且有助于新一代视网膜下修复的光电子器件的发展。

在这项工作中，基于TiO2-AuNWs的马达，由紫外线照射(365 nm)驱动，并能够实现高精度激活目标RGC与固有产生的电力，成功建造和演示。其组装过程如图1所示。

图1 采用水热法结合金属溅射法，制备了基于TiO2-Au NW的马达。在光照射下，通过光化学水分裂在电机上建立不对称电场，提供推进力。电机在紫外光的引导下，向目标神经RGC呈现高度可控的导航。NW马达在紫外线照射下产生的电，然后作为信号传输到目标细胞，导致Ca2+通过离子通道流入和细胞激活。电机的光电转换能力可以提供调节神经元活动所需的驱动力和生物电信号。

用扫描电子显微镜和能量色散x光能谱仪(EDX)对所制备的TiO2-AuNW马达进行了表征。图2a显示了生长在氟化氧化锡衬底上的TiO2NW和TiO2-Au NW阵列的代表性图像。图2b显示了一个单独的TiO2-Au NW马达的扫描电镜图像，该马达从具有单根金属丝特征形态的FTO基底上获得。

图2 TiO2-Au NWs马达的电子显微镜表征。

图3 紫外线照射下的运动和导向运动机理。a)在去离子水中由紫外光驱动的TiO2-Au NW催化马达的示意图。b)用外部紫外光操纵电机的实验装置。c)通过改变紫外线方向的TiO2-Au NW电机的图示导向运动。

图4 马达以单细胞精度接近目标RGC，诱导钙反应，并激活细胞。a)紫外光下TiO2-Au NW电机的操纵运动示意图。b)实验装置:将含有细胞和TiO2-AuNW马达的培养皿置于紫外辐射下，用光学显微镜观察。c)使用紫外线照射将TiO2-Au NW电机精确引导至单个RGC电池的方案。d–h)显示TiO2 Au-NW马达朝向目标RGC的引导运动的明亮场图像。

总的来说，研究人员成功实现一种TiO2-Au NW马达系统，它可以在极低强度的紫外线照射下在纯水中自推进，利用马达的固有电场，能够以非常高的精度接近和激发目标神经元视网膜神经节细胞。NW电机系统可以作为高度可控和最小侵入性的移动平台，有助于新一代视网膜下修复的光电子器件的发展。（文：8 Mile）