Illustration schématique d'une interface thermo-plasmonique imprimée par jet d'encre pour la neuromodulation à motifs sur un réseau neuronal cultivé in vitro. Crédit :KAIST
Une équipe KAIST a présenté une méthode de stimulation neuronale hautement personnalisable. L'équipe de recherche a développé une technologie capable d'imprimer le modèle de chaleur à l'échelle du micron pour permettre le contrôle des activités biologiques à distance. Les chercheurs ont intégré une technologie d'impression à jet d'encre de précision avec des nanoparticules thermo-plasmoniques biofonctionnelles pour obtenir une méthode de stimulation neuronale nano-photothermique sélective. L'équipe de recherche du professeur Yoonkey Nam du Département de génie biologique et cérébral s'attend à ce que cela serve de technologie habilitante pour une thérapie personnalisée de neuromodulation de précision pour les patients atteints de troubles neurologiques.
La méthode de stimulation neuronale nano-photothermique utilise l'effet thermo-plasmonique de nanoparticules métalliques pour moduler les activités des réseaux neuronaux. Avec l'effet thermo-plasmonique, les nanoparticules métalliques peuvent absorber une longueur d'onde spécifique de la lumière illuminée pour générer efficacement de la chaleur localisée. L'équipe de recherche a découvert le comportement inhibiteur des activités spontanées des neurones lors de la stimulation photothermique il y a quatre ans. Depuis, ils ont développé cette technologie pour contrôler les comportements hyperactifs des neurones et des circuits neuronaux, ce qui est souvent trouvé dans les troubles neurologiques tels que l'épilepsie.
Un exemple d'image de nanoparticules thermo-plasmoniques imprimée par jet d'encre sur un substrat flexible en haute résolution spatiale sur une grande surface (à gauche), et des motifs thermiques générés à distance à partir de l'image imprimée (à droite). Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
Afin de surmonter la limitation de la sélectivité spatiale et de la résolution de la méthode nano-photothermique développée précédemment, l'équipe a adopté une technologie d'impression à jet d'encre pour micro motif les nanoparticules plasmoniques (quelques dizaines de microns), et démontré avec succès que la stimulation nano-photothermique peut être appliquée sélectivement selon les motifs imprimés.
Les chercheurs ont appliqué une méthode de revêtement couche par couche de polyélectrolyte aux substrats d'impression de manière à améliorer la fidélité du motif et à obtenir l'assemblage uniforme des nanoparticules. L'attraction électrostatique entre les nanoparticules imprimées et le substrat d'impression revêtu a également contribué à la stabilité des nanoparticules attachées. Parce que le revêtement de polyélectrolyte est biocompatible, des expériences biologiques incluant la culture cellulaire sont possibles avec la technologie développée dans ce travail.
Utilisant des particules de nanotige d'or imprimées avec une résolution de quelques dizaines de microns sur une surface de plusieurs centimètres, les chercheurs ont montré que des motifs thermiques très complexes peuvent être formés avec précision lors d'un éclairage lumineux en fonction de l'image d'impression.
Dernièrement, l'équipe a confirmé que les motifs de chaleur imprimés peuvent inhiber de manière sélective et instantanée les activités des neurones hippocampiques en culture lors d'un éclairage en lumière proche infrarouge. Parce que le processus d'impression est applicable aux substrats minces et flexibles, la technologie peut être facilement appliquée aux dispositifs implantables de traitement des troubles neurologiques et aux dispositifs portables. En appliquant sélectivement les modèles de chaleur uniquement aux zones cellulaires souhaitées, une thérapie de neuromodulation photothermique personnalisée et personnalisée peut être appliquée aux patients.
« Le fait que tous les modèles de chaleur souhaités puissent être simplement « imprimés » n'importe où élargit l'applicabilité de cette technologie dans de nombreux domaines de l'ingénierie. En bio-ingénierie, il peut être appliqué aux interfaces neuronales en utilisant la lumière et la chaleur pour moduler les fonctions physiologiques. En tant qu'autre application d'ingénierie, par exemple, les motifs de chaleur imprimés peuvent être utilisés comme un nouveau concept d'applications anti-contrefaçon, " a déclaré le chercheur principal, Yoonkey Nam chez KAIST.
