세포용 '웨어러블' 디바이스

스마트워치나 피트니스 트래커와 같은 웨어러블 기기는 신체 일부와 상호 작용하여 심박수나 수면 단계와 같은 내부 과정을 측정하고 학습합니다.

이제 MIT 연구원들은 신체 내의 개별 세포에 대해 비슷한 기능을 수행할 수 있는 착용형 기기를 개발했습니다.

부드러운 폴리머로 만들어진 배터리가 없는 세포 내 크기의 이 장치는 무선으로 빛을 작동시키면 세포에 손상을 주지 않고 축삭과 수상돌기와 같은 뉴런의 여러 부분을 부드럽게 감싸도록 설계되었습니다. 뉴런 과정을 꼭 감싸면 세포 내 수준에서 뉴런의 전기적 및 대사 활동을 측정하거나 조절하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 기기는 무선이고 자유롭게 떠다니기 때문에 연구자들은 언젠가 수천 개의 작은 기기를 주입한 다음 빛을 사용하여 비침습적으로 작동시킬 수 있을 것으로 예상합니다. 연구자들은 신체 외부에서 비추는 빛의 양을 조작하여 웨어러블이 세포를 부드럽게 감싸는 방식을 정확하게 제어할 것입니다. 이 빛은 조직을 관통하여 기기를 작동시킵니다.

신경 세포와 신체의 다른 부분 사이에 전기적 자극을 전달하는 축삭을 감싸는 이러한 웨어러블은 다발성 경화증과 같은 질병에서 발생하는 일부 신경 퇴화를 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 장기적으로 이 장치는 다른 재료와 통합되어 개별 세포를 측정하고 조절할 수 있는 작은 회로를 만들 수 있습니다.

"여기서 소개하는 개념과 플랫폼 기술은 미래 연구에 엄청난 가능성을 가져다주는 초석과 같습니다." MIT 미디어 랩과 신경생물공학 센터의 AT&T 경력 개발 조교수이자, 나노-사이버네틱 바이오트렉 랩의 책임자이며, 이 기술에 대한 논문의 수석 저자인 데블리나 사르카르의 말입니다.

Sarkar와 함께 논문에 참여한 사람은 전 MIT 포스트닥터로 현재 Novartis Innovation Fellow인 Marta JI Airaghi Leccardi, MIT 포스트닥터인 Benoît XE Desbiolles, 연구 당시 MIT 학부 연구원이었던 Anna Y. Haddad '23, MIT 대학원생 Baju C. Joy와 Chen Song입니다. 이 연구는 오늘 Nature Communications Chemistry 에 게재되었습니다.

세포를 꼭 감싸다

뇌 세포는 복잡한 모양을 가지고 있어 뉴런이나 뉴런 과정에 꼭 맞는 생체 전자 임플란트를 만드는 것이 매우 어렵습니다. 예를 들어, 축삭은 뉴런의 세포체에 부착되는 가늘고 꼬리와 같은 구조이며, 길이와 곡률은 매우 다양합니다.

동시에 축삭과 다른 세포 구성 요소는 취약하므로 이들과 연결되는 모든 장치는 손상 없이 좋은 접촉을 이룰 수 있을 만큼 부드러워야 합니다.

이런 과제를 극복하기 위해 MIT 연구원들은 아조벤젠이라는 부드러운 폴리머로 만든 박막 장치를 개발했는데, 이 장치는 장치가 감싸고 있는 세포를 손상시키지 않습니다.

재료 변형으로 인해 아조벤젠의 얇은 시트는 빛에 노출되면 굴러가며 세포를 감쌀 수 있습니다. 연구자들은 빛의 강도와 편광, 그리고 장치의 모양을 변화시켜 굴림의 방향과 직경을 정확하게 제어할 수 있습니다.

얇은 필름은 마이크로미터보다 작은 직경의 작은 미세관을 형성할 수 있습니다. 이를 통해 매우 휘어진 축삭과 수상돌기를 부드럽고 편안하게 감쌀 수 있습니다.

"롤링의 직경을 매우 미세하게 제어할 수 있습니다. 원하는 특정 치수에 도달하면 그에 따라 광 에너지를 조정하여 멈출 수 있습니다."라고 Sarkar는 설명합니다.

연구원들은 확장 가능하고 반도체 클린룸을 사용하지 않는 공정을 찾기 위해 여러 가지 제조 기술을 실험했습니다.

미세한 웨어러블 만들기

그들은 수용성 물질로 구성된 희생층에 아조벤젠 한 방울을 떨어뜨리는 것으로 시작합니다. 그런 다음 연구자들은 폴리머 한 방울에 스탬프를 눌러 희생층 위에 수천 개의 작은 장치를 성형합니다. 스탬핑 기술을 통해 직사각형에서 꽃 모양에 이르기까지 복잡한 구조를 만들 수 있습니다.

베이킹 단계는 모든 용매가 증발되도록 보장한 다음 에칭을 사용하여 개별 장치 사이에 남아 있는 모든 재료를 긁어냅니다. 마지막으로 희생층을 물에 녹여 수천 개의 미세한 장치가 액체에 자유롭게 떠다니게 합니다.

그들은 자유 부유 장치로 솔루션을 얻은 후, 무선으로 장치를 작동시켜 장치가 굴러가도록 유도했습니다. 그들은 자유 부유 구조가 조명이 꺼진 후에도 며칠 동안 모양을 유지할 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구자들은 전체 방법이 생체적합성을 갖는지 확인하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다.

그들은 빛을 사용하여 회전을 제어하는 ​​방법을 완성한 후, 쥐의 신경 세포에 이 장치를 테스트한 결과, 심하게 휘어진 축삭과 수상돌기에도 손상을 주지 않고 단단히 감을 수 있다는 것을 발견했습니다.

"이 세포와 친밀한 인터페이스를 갖기 위해서는 장치가 부드럽고 복잡한 구조에 맞춰야 합니다. 이것이 바로 우리가 이 연구에서 해결한 과제입니다. 우리는 아조벤젠이 살아있는 세포 주위를 감쌀 수 있다는 것을 보여준 최초의 기업입니다."라고 그녀는 말합니다.

그들이 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 클린룸 밖에서 수행할 수 있는 확장 가능한 제조 공정을 개발하는 것이었습니다. 또한 그들은 장치의 이상적인 두께에 대해 반복했습니다. 너무 두껍게 만들면 롤링할 때 균열이 생기기 때문입니다.

아조벤젠은 절연체이기 때문에 직접적인 응용 분야 중 하나는 손상된 축삭에 대한 합성 미엘린으로 장치를 사용하는 것입니다. 미엘린은 축삭을 감싸고 전기적 자극이 뉴런 사이를 효율적으로 이동할 수 있게 하는 절연 층입니다.

다발성 경화증과 같은 비수초화 질환에서 뉴런은 일부 절연성 미엘린 시트를 잃습니다. 이를 재생하는 생물학적 방법은 없습니다. 합성 미엘린으로 작용함으로써 웨어러블은 MS 환자의 뉴런 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구자들은 또한 이 장치가 세포를 자극할 수 있는 광전기 재료와 어떻게 결합될 수 있는지 보여주었습니다. 게다가 원자적으로 얇은 재료가 장치 위에 패턴화될 수 있으며, 여전히 깨지지 않고 마이크로튜브를 형성하기 위해 굴릴 수 있습니다. 이를 통해 장치에 센서와 회로를 통합할 수 있는 기회가 열립니다.

또한, 세포와 매우 긴밀하게 연결되기 때문에, 아주 적은 에너지를 사용하여 세포 하부 영역을 자극할 수 있습니다. 이를 통해 연구자나 임상의는 뇌 질환을 치료하기 위해 뉴런의 전기적 활동을 조절할 수 있습니다.

"인공 장치와 세포의 공생을 전례 없는 해상도로 보여주는 것은 흥미로운 일입니다. 우리는 이 기술이 가능하다는 것을 보여주었습니다."라고 Sarkar는 말합니다.

이런 응용 분야를 탐색하는 것 외에도 연구자들은 특정 세포 유형이나 세포 내 영역을 표적으로 삼을 수 있는 분자로 장치 표면을 기능화하는 것을 시도하고자 합니다.

이 연구는 스위스 국립과학재단과 미국 국립보건원 뇌 이니셔티브의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241031130622.htm