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Des nanofils qui se comportent comme des cellules
Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont scellé des transistors à nanofils de silicium dans une membrane similaire à celles qui entourent les cellules biologiques. Ces dispositifs hybrides, qui fonctionnent de manière similaire aux cellules nerveuses, pourraient être utilisés pour créer de meilleures interfaces pour les membres prothétiques et les implants cochléaires. Ils pourraient également bien fonctionner comme biocapteurs pour le diagnostic médical.
Nanofil hybride : Le nanofil de silicium montré dans l'image au microscope (en haut) est recouvert d'une membrane graisseuse semblable à celles qui entourent les cellules biologiques. L'image du bas est une illustration représentant les deux couches de molécules lipidiques qui entourent le nanofil, le scellant de l'environnement environnant. Les ions peuvent traverser la membrane via un canal ionique, représenté ici en lavande.
La communication biologique est sophistiquée et reste inégalée dans l'électronique d'aujourd'hui, qui repose sur des champs et des courants électriques. Les cellules du corps humain utilisent de nombreux autres moyens de communication, notamment les hormones, les neurotransmetteurs et les ions tels que le calcium. Le lien de la communication biologique est la membrane cellulaire, une double couche de molécules grasses parsemées de protéines qui agissent comme des gardiens et effectuent les premières étapes du traitement du signal biologique.
Alexandre Noy , un chimiste du laboratoire national, a donné aux nanofils de silicium une membrane cellulaire dans l'espoir de fabriquer une meilleure bioélectronique. Si vous pouvez faire parler la microélectronique moderne aux organismes vivants, vous pouvez fabriquer des prothèses plus efficaces ou de nouveaux types de biocapteurs pour le diagnostic médical, explique Noy. Par exemple, si les électrodes reliant une prothèse au système nerveux pouvaient lire des signaux chimiques au lieu de simplement électriques, la personne qui la porte pourrait avoir un meilleur contrôle sur la prothèse.
Noy a commencé par fabriquer des réseaux de transistors en silicium à nanofils - des rangées de fils de 30 nanomètres de diamètre délimités à chaque extrémité par des contacts électriques - en utilisant des méthodes développées par d'autres chercheurs. Les puces ont été placées dans un dispositif microfluidique. Le groupe de Noy a utilisé la microfluidique pour fournir des sphères creuses de molécules de membrane graisseuse. Les sphères sont attirées par les surfaces chargées négativement des nanofils, où elles s'accumulent et fusionnent pour former une membrane continue qui scelle complètement chaque nanofil tout comme une membrane biologique scelle le contenu d'une cellule. Les transistors à nanofils nus présentent un changement mesurable de leurs propriétés électriques lorsqu'ils sont exposés à des solutions acides ou basiques ; les nanofils protégés par une membrane ne le font pas, car la couche graisseuse scelle la solution dure, tout comme une membrane cellulaire biologique.
Pour donner aux nanofils enrobés des portes électriques - essentiellement un moyen de les rendre réactifs à l'environnement chimique environnant - Noy a ajouté des protéines pour former des canaux ioniques, qui contrôlent le flux d'atomes et de molécules chargés à travers les membranes cellulaires. Lorsqu'elles sont mises en solution avec les nanofils, ces protéines s'insèrent dans la membrane. Le groupe de Noy a testé les appareils avec deux types de canaux ioniques : un qui laisse toujours passer de petits ions chargés positivement et un qui ne le fait qu'en réponse à un changement de tension qui peut être produit par le nanofil. Cette protéine sensible à la tension est souvent utilisée pour imiter les signaux électriques des cellules nerveuses. Les nanofils avec canaux ioniques ont pu détecter la présence d'ions dans la solution. En utilisant le nanofil pour créer une différence de tension à travers la membrane, la protéine sensible à la tension peut être ouverte et fermée, permettant efficacement au nanofil d'activer ou de désactiver sa capacité de détection chimique. Le neurone est un bon analogue à certains égards, dit Noy à propos de ces appareils.
Le travail de Noy, décrit cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , ouvre de nouvelles voies car il rend les nanofils plus semblables à des cellules, dit Yi Cui , professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford. Avec Charles Cher , chimiste à l'Université Harvard, Cui a transformé des nanofils de silicium en capteurs très sensibles en les enrobant d'anticorps. Les capteurs pourraient, par exemple, détecter des protéines sanguines caractéristiques du cancer. Le travail de Noy, dit Cui, est une manière vraiment créative d'intégrer un transistor à une membrane cellulaire. En enrobant les nanofils, Noy peut tirer parti de tout ce que les membranes cellulaires biologiques ont à offrir, y compris la capacité de détecter et de répondre aux changements de tension, ainsi qu'aux ions, protéines et autres biomolécules. Cette gamme de fonctionnalités ne peut pas être atteinte avec des anticorps, explique Cui.
Ensuite, Noy prévoit de développer des dispositifs hybrides nanofils plus sophistiqués. Jusqu'à présent, chaque appareil n'était équipé que d'un seul type de canal ionique, ce qui limite la complexité des fonctions qu'il peut réaliser. (Les cellules biologiques sont recouvertes de nombreuses protéines membranaires différentes.)
Les chercheurs commenceront également à tester les interactions des appareils avec les cellules vivantes. D'autres chercheurs, dont Peidong Yang à l'Université de Californie à Berkeley et à Lieber de Harvard, ont utilisé des nanofils de silicium nus pour s'interfacer avec des neurones, des cellules souches, des cellules cardiaques et d'autres tissus. Ils ont montré que les nanofils peuvent envoyer et recevoir des signaux électriques avec une très haute résolution spatiale, même à l'intérieur de cellules individuelles. Le travail initial de Noy reste une preuve de concept.