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Nanofili che si comportano come le cellule
I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno sigillato transistor di nanofili di silicio in una membrana simile a quelle che circondano le cellule biologiche. Questi dispositivi ibridi, che funzionano in modo simile alle cellule nervose, potrebbero essere utilizzati per creare interfacce migliori per arti protesici e impianti cocleari. Potrebbero anche funzionare bene come biosensori per la diagnostica medica.
Nanofilo ibrido: Il nanofilo di silicio mostrato nell'immagine al microscopio (in alto) è ricoperto da una membrana grassa simile a quelle che circondano le cellule biologiche. L'immagine in basso è un'illustrazione che raffigura i due strati di molecole lipidiche che circondano il nanofilo, isolandolo dall'ambiente circostante. Gli ioni possono passare attraverso la membrana tramite un canale ionico, raffigurato qui in lavanda.
La comunicazione biologica è sofisticata e non ha eguali nell'elettronica di oggi, che si basa su campi e correnti elettrici. Le cellule del corpo umano utilizzano molti mezzi di comunicazione aggiuntivi tra cui ormoni, neurotrasmettitori e ioni come il calcio. Il nesso della comunicazione biologica è la membrana cellulare, un doppio strato di molecole grasse costellate di proteine che fungono da gatekeeper e compiono i primi passi nell'elaborazione del segnale biologico.
Aleksandr Noy , un chimico del laboratorio nazionale, ha fornito ai nanofili di silicio una membrana cellulare nella speranza di realizzare una bioelettronica migliore. Se riesci a far parlare la moderna microelettronica con gli organismi viventi, puoi realizzare protesi più efficienti o nuovi tipi di biosensori per la diagnostica medica, afferma Noy. Ad esempio, se gli elettrodi che collegano un dispositivo protesico al sistema nervoso potessero leggere segnali chimici anziché solo elettrici, la persona che lo indossa potrebbe avere un controllo migliore sulla protesi.
Noy ha iniziato realizzando matrici di transistor in nanofili di silicio, file di fili di 30 nanometri di diametro legati alle due estremità da contatti elettrici, utilizzando metodi sviluppati da altri ricercatori. Gli array sono stati inseriti in un dispositivo microfluidico. Il gruppo di Noy ha utilizzato la microfluidica per fornire sfere cave di molecole di membrana grassa. Le sfere sono attratte dalle superfici caricate negativamente dei nanofili, dove si accumulano e si fondono per formare una membrana continua che sigilla completamente ogni nanofilo proprio come una membrana biologica sigilla il contenuto di una cellula. I transistor a nanocavi nudi mostrano un cambiamento misurabile nelle loro proprietà elettriche se esposti a soluzioni acide o basiche; i nanofili protetti da membrana non lo fanno, perché lo strato grasso sigilla la soluzione dura, proprio come una membrana cellulare biologica.
Per fornire ai nanofili rivestiti porte elettriche, essenzialmente un mezzo per renderli reattivi all'ambiente chimico circostante, Noy ha aggiunto proteine per formare canali ionici, che controllano il flusso di atomi e molecole carichi attraverso le membrane cellulari. Quando messe in soluzione con i nanofili, queste proteine si inseriscono nella membrana. Il gruppo di Noy ha testato i dispositivi con due tipi di canali ionici: uno che consente sempre il passaggio di ioni piccoli e carichi positivamente e uno che lo fa solo in risposta a una variazione di tensione che può essere prodotta dal nanofilo. Questa proteina sensibile al voltaggio viene spesso utilizzata per imitare i segnali elettrici delle cellule nervose. I nanofili con canali ionici sono stati in grado di rilevare la presenza di ioni nella soluzione. Utilizzando il nanofilo per creare una differenza di voltaggio attraverso la membrana, la proteina sensibile al voltaggio può essere aperta e chiusa, consentendo in modo efficace al nanofilo di attivare o disattivare la sua capacità di rilevamento delle sostanze chimiche. Il neurone è in qualche modo un buon analogo, dice Noy di questi dispositivi.
Il lavoro di Noy, descritto questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , apre nuove strade perché rende i nanofili più simili alle cellule, dice Yi Cui , assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University. Con Carlo caro , un chimico dell'Università di Harvard, Cui ha trasformato nanofili di silicio in sensori molto sensibili rivestendo i nanofili con anticorpi. I sensori potrebbero, ad esempio, rilevare le proteine del sangue caratteristiche del cancro. Il lavoro di Noy, dice Cui, è un modo davvero creativo per integrare un transistor con una membrana cellulare. Rivestendo i nanofili, Noy può sfruttare tutto ciò che le membrane cellulari biologiche hanno da offrire, inclusa la capacità di rilevare e rispondere ai cambiamenti di tensione, nonché di ioni, proteine e altre biomolecole. Questa gamma di funzionalità non può essere raggiunta con gli anticorpi, afferma Cui.
Successivamente, Noy prevede di sviluppare dispositivi ibridi a nanofili più sofisticati. Finora ogni dispositivo è stato dotato di un solo tipo di canale ionico, che limita la complessità delle funzioni che possono svolgere. (Le cellule biologiche sono rivestite con molte proteine di membrana differenti.)
I ricercatori inizieranno anche a testare le interazioni dei dispositivi con le cellule viventi. Altri ricercatori, tra cui Peidong Yang presso l'Università della California, Berkeley, e la Lieber di Harvard, hanno utilizzato nanofili di silicio nudo per interfacciarsi con neuroni, cellule staminali, cellule cardiache e altri tessuti. Hanno dimostrato che i nanofili possono inviare e ricevere segnali elettrici con una risoluzione spaziale molto elevata, anche all'interno di singole celle. Il lavoro iniziale di Noy rimane una prova di concetto.