Команда исследователей из Барселоны представила инновационные биосовместимые микроструктуры, способные дистанционно воздействовать на отдельные клетки организма. Технология опирается на сочетание ультразвукового излучения и локального электрического поля, позволяя активировать клеточные процессы без использования проводов или инвазивных электродов.
Разработкой занимались специалисты из Автономного университета Барселоны (Universitat Autònoma de Barcelona) и Центра микроэлектроники Барселоны (IMB-CNM-CSIC). Научная работа, детально описывающая принципы действия системы, была опубликована в специализированном издании Small.
Принцип работы: от ультразвука к электричеству
Основой разработки стали микроскопические частицы, размер которых сопоставим с габаритами человеческой клетки или незначительно превышает их (десятки микрометров). В состав этих частиц входит оксид цинка — материал, обладающий выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Благодаря этому свойству, при механическом сжатии или деформации частицы способны генерировать локальное электрическое поле.
В качестве триггера выступает ультразвук. Акустические волны высокой частоты беспрепятственно проникают через биологические ткани, что делает этот метод безопасным и применимым в медицинской практике. При прохождении волн через ткани частицы оксида цинка начинают вибрировать, создавая микроскопический электрический импульс непосредственно у мембраны клетки.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Биохимический отклик и результаты экспериментов
Клетка воспринимает воздействие через свои естественные биохимические механизмы. Основным сигнальным путём в данном случае становится изменение концентрации ионов кальция в цитоплазме. Этот «кальциевый сигнал» служит командой для запуска клеточных процессов, будь то изменение функционального состояния или активация деления.
Для проверки эффективности технологии ученые использовали линию клеток костной ткани Saos-2, которые отличаются высокой чувствительностью к электростимуляции. В ходе серии экспериментов исследователям удалось успешно активировать до 58% клеток, подвергшихся воздействию, при условии подбора оптимальных параметров ультразвукового излучения.
Перспективы масштабирования
Главным преимуществом представленного подхода является отсутствие необходимости в физических контактах или имплантируемых электродах. Ультразвук проходит сквозь тело, а частицы выполняют функцию «приемников», преобразующих акустическую энергию в электрическую строго в заданном месте.
Авторы исследования подчеркивают, что предложенные структуры могут быть произведены с помощью стандартных методов современной микроэлектроники. В будущем это позволит масштабировать технологию для решения сложных медицинских задач, требующих высокоточной локальной стимуляции нервных окончаний или восстановления поврежденных тканей.
