Per decenni, gli scienziati hanno fatto affidamento su elettrodi e coloranti per tenere traccia dell’attività elettrica delle celle viventi. Ora, gli ingegneri dell’Università della California San Diego hanno scoperto che i materiali quantistici solo un singolo atomo spesso possono fare il lavoro, usando solo la luce.
Un nuovo studio, pubblicato il 3 marzo in Fotonica della naturamostra che questi semiconduttori ultra-sottili, che intrappolano gli elettroni in due dimensioni, possono essere usati per percepire l’attività elettrica biologica delle cellule viventi con alta velocità e risoluzione.
Gli scienziati hanno continuamente cercato modi migliori per tracciare l’attività elettrica delle cellule più eccitabili del corpo, come neuroni, fibre muscolari cardiache e cellule pancreatiche. Questi piccoli impulsi elettrici orchestrano tutto, dal pensiero al movimento al metabolismo, ma catturarli in tempo reale e su larga scala è rimasta una sfida.
L’elettrofisiologia tradizionale, che si basa su microelettrodi invasivi, offre registrazioni precise ma è limitata nella scalabilità. L’impianto di elettrodi tra grandi regioni di tessuto può causare danni significativi e anche le sonde più avanzate sono limitate alla registrazione di poche centinaia di canali contemporaneamente. Le tecniche ottiche come l’imaging del calcio, pur in grado di monitorare grandi popolazioni di cellule, offrono solo uno sguardo indiretto sull’attività elettrica. Invece di registrare i cambiamenti di tensione effettivi che guidano la comunicazione cellulare, catturano cambiamenti secondari che possono introdurre discrepanze significative.
Gli ingegneri della UC San Diego hanno dimostrato un nuovo approccio che potrebbe colmare questo divario: un metodo completamente ottico ad alta velocità per la registrazione di cambiamenti di tensione usando semiconduttori spesso gli atomi. La chiave sta nel modo in cui gli elettroni di questi materiali interagiscono con la luce: se esposti a un campo elettrico, passano da due stati: eccitoni (coppie di buchi elettronici che sono elettricamente neutri) e trions (eccitoni carichi). I ricercatori hanno scoperto che la conversione dagli eccitoni a Trions in semiconduttori spesso gli atomi può essere sfruttata per rilevare i segnali elettrici delle cellule muscolari cardiache-senza la necessità di elettrodi legati o coloranti sensibili alla tensione, che possono interferire con la funzione cellulare.
In altre parole, le proprietà quantistiche del materiale stesso possono essere usate come sensore.
“Riteniamo che la sensibilità di tensione degli eccitoni nei semiconduttori monostrati abbia il potenziale per consentire un elevato indagine spazio -temporale sui circuiti del cervello”, ha dichiarato lo studio, autore senior Ertugrul Cubukcu, professore nell’Aiiso Yufeng Li dipartimento di ingegneria chimica e nano, nonché il dipartimento di ingegneria elettrica e della scuola di lavoro uC.
Cubukcu e il suo team hanno studiato le proprietà quantistiche del monostrato molibdeno solfuro. Oltre alla sua biocompatibilità, hanno scoperto che questo materiale a semiconduttore possiede un vantaggio particolare: forma naturalmente posti vacanti di zolfo durante la sua produzione, che crea un’alta densità di trioni. Questo difetto incorporato lo rende eccezionalmente sensibile ai cambiamenti nei campi elettrici vicini, comprese quelle generate dalle celle viventi, che a loro volta consentono la conversione spontanea da eccitonio a tre tele.
Tracciando i cambiamenti nella fotoluminescenza del materiale, i ricercatori potrebbero mappare l’attività elettrica delle cellule muscolari cardiache in tempo reale, a velocità non eguali da qualsiasi altra tecnologia di imaging fino ad oggi, hanno osservato i ricercatori.
Questa tecnologia ha una varietà di potenziali applicazioni. Potrebbe consentire ai ricercatori di mappare le disfunzioni della rete su grandi aree di tessuto eccitabile, dalla superficie a strati più profondi. Potrebbe fornire approfondimenti sui meccanismi alla base dei disturbi neurologici e cardiaci, offrendo un quadro più chiaro di come le malattie interrompono i circuiti elettrici del corpo. Può anche perfezionare le strategie terapeutiche che si basano sulla neuromodulazione elettrica, come la stimolazione cerebrale profonda per la malattia di Parkinson o la stimolazione cardiaca per le aritmie. Inoltre, questo lavoro potrebbe portare alla scoperta di nuovi materiali quantistici che possono offrire un metodo non invasivo ad alta velocità per sondare l’attività elettrica nei sistemi viventi.
Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation (ECCS-2139416, ECCS-2024776, ECCS-1752241 e ECCS-1734940), National Institutes of Health (1R21ey033676, 21EY029466666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666661tivamente. R01AG045428), Office of Naval Research (N000142012405, N000142312163 e N000141912545) e borse di studio del NSF GRFP, NIH (Grant T32HL007444), Fellowship di San Diego e il Programma di Scolati Seibel. La fabbricazione dei dispositivi è stata eseguita presso l’infrastruttura di nanotecnologie di San Diego (SDNI) presso l’UC San Diego, membro dell’infrastruttura coordinata da nanotecnologia nazionale, supportata dal NSF (Grant ECCS-1542148).
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