Research and development of neural interface devices using nanotubes and artificial cell membranes

利用纳米管和人造细胞膜的神经接口装置的研发

基本信息

批准号：
22H03937
负责人：
八木透
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では脂質二重膜（人工細胞膜）に埋め込んだDNAナノチューブやカーボンナノチューブなどの管状ナノ構造体（ナノチューブ）を電気シナプスとして利用し，神経細胞を細胞内刺激可能な電極を有する神経インタフェースデバイスの開発を目指している．カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube, CNT)は中空円筒状の炭素材料であり，中でも単層のCNTは約1-2 nmの直径を持つ．近年，約10 nmに切断した単層CNTは細胞膜やその基本要素である人工脂質膜に自発的に侵入し，膜内に留まることが報告された．CNTが膜内に留まることで，物質透過性や導電性，疎水性表面といったCNTの特性を膜に付加することができる．したがってCNTは，センサ保護膜，ドラッグデリバリーシステム，ナノ双極電極等に利用できるとして注目されている．一方で，CNTの疎水性表面は脂質二重膜内層の疎水性部分と相互作用し膜を変形させる恐れがある．膜形態の変化は細胞毒性の一因と考えられているが，数～数十　nmに切断されたCNTが膜形態に及ぼす影響については未だよくわかっていない．そこで本年度は細胞膜のモデルとして脂質二重膜小胞(Giant Unilamellar Vesicle, GUV)に対しCNTを曝露し，各濃度のCNTによる膜形態の変化を蛍光顕微鏡によって評価した．その結果，球形状からダンベル様形状へのGUV膜の変形を観察した．この変形形態から，CNT挿入が膜の面積だけでなく，2分子膜である脂質二重膜の内層と外層の面積の非対称性を増加させたことが明らかとなった．

在这项研究中，我们将使用嵌入脂质双层膜（人工细胞膜）中的管状纳米结构（纳米管）作为电突触，开发带有电极的神经接口装置，该装置可以刺激细胞内的神经元。。碳纳米管（CNT）是中空圆柱形碳材料，单壁CNT的直径约为1-2nm。最近，有报道称，切割至约10 nm的单壁碳纳米管会自发侵入作为其基本要素的细胞膜和人工脂质膜，并保留在膜内。通过将 CNT 保留在膜内，可以将 CNT 特性（例如材料渗透性、导电性和疏水性表面）添加到膜中。因此，碳纳米管因其可用于传感器保护膜、药物输送系统、纳米双极电极等而受到关注。另一方面，碳纳米管的疏水表面可能与脂质双层膜内层的疏水部分相互作用并使膜变形。膜形态的变化被认为是细胞毒性的一个影响因素，但碳纳米管切成几到几十纳米对膜形态的影响仍然知之甚少。因此，今年，我们将碳纳米管暴露于脂质双膜囊泡（Giant Unilamellar Vesicles，GUVs）作为细胞膜模型，并使用荧光显微镜评估了不同浓度的碳纳米管导致的膜形态变化。结果，我们观察到 GUV 薄膜从球形变形为哑铃形。这种变形揭示了CNT插入不仅增加了膜的面积，而且增加了双层脂质双层膜的内层和外层面积的不对称性。