Углеродныe каркасные наноматериалы для стимуляции клеток нервных тканей
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation , Major scientific project by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, No. 075-15-2024-555 dated April 25
Мурашко Д.Т.1, Курилова У.Е.1,2, Суетина И.А.3, Руссу Л.И.3, Куксин А.В.1, Мезенцева М.В.3, Кицюк Е.П.4, Марков А.Г.2, Телышев Д.В.2,1, Герасименко А.Ю.1,2
1Институт биомедицинских систем, Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва, Зеленоград, Россия
2Институт бионических технологий и инжиниринга, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, Москва, Россия
3Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. почетного академика Н.Ф. Гамалеи Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, Россия
4Научно производственный комплекс "Технологический центр", Москва, Россия
Email: gerasimenko@bms.zone
Поступила в редакцию: 1 ноября 2024 г.
В окончательной редакции: 1 ноября 2024 г.
Принята к печати: 1 ноября 2024 г.
Выставление онлайн: 31 января 2025 г.
Представлена технология формирования углеродных каркасных наноматериалов для создания нейроинтерфейсов между электронными стимулирующими приборами и клетками нервной ткани. Наноматериалы сформированы методами спрей-осаждения и лазерного структурирования слоев из одностенных углеродных нанотрубок и восстановленного оксида графена. Излучение первой гармоники наносекундного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1064 nm и мощностью 0.07 W обеспечило формирование электропроводящего каркаса из нанотрубок, восстановленного оксида графена и их гибридных структур, что было продемонстрировано с помощью растровой электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Показано, что лазерное воздействие обеспечило увеличение электропроводности от 1.2 до 3.5 раз (до 37.8±1.2 mS для гибридных структур из одностенных углеродных нанотрубок и восстановленного оксида графена). Сформированы заданные топологии из углеродных каркасных наноматериалов для их использования в качестве нейроинтерфейсов с генератором электрических импульсов на базе планшета для культивирования клеток. Электрическая стимуляция в процессе культивирования обеспечивает увеличение количества клеток. Получено увеличение количества клеток в 4.3 раза для фибробластов и в 2.9 раза для клеток нервной ткани, выращенных на углеродных каркасных наноматериалах, по сравнению с клетками, выращенными в обычных условиях. Сформированные углеродные каркасные наноматериалы перспективны для передачи электрических сигналов в устройствах для культивирования клеток и других имплантируемых приборах, в том числе нейроинтерфейсах. Ключевые слова: углеродные нанотрубки, восстановленный оксид графена, биоэлектроника, нейроинтерфейсы, электростимуляция.
- S.H. Ku, M. Lee, C.B. Park. Adv. Нealthcare Мater., 2 (2), 244 (2013). https://doi.org/10.1002/adhm.201200307
- C. Satishkumar, P.J. Thomas, A. Govindaraj, C.N.R. Rao. Appl. Phys. Lett., 77, 2530 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1319185
- M. Terrones, F. Banhart, N. Grobert, J.C. Charlier, H. Terrones, P.M. Ajayan. Phys. Rev. Lett., 89, 075505 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.075505
- J. Kim, G.G. Kim, S. Kim, W. Jung. Appl. Phys. Lett., 108, 203110 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4952397
- G. Ho, A. Wee, J. Lin. Appl. Phys. Lett., 79, 260 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1383279
- J. Han, M.P. Anantram, R.L. Jaffe, J. Kong, H. Dai. Phys. Rev. B, 57 (23), 14983 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.14983
- M. David-Pur, L. Bareket-Keren, G. Beit-Yaakov, D. Raz-Prag, Y. Hanein. Biomed. Microdevices, 16, 43 (2014). DOI: 10.1007/s10544-013-9804-6
- B.C. Kang, T.J. Ha. Jpn. J. Appl. Phys., 57 (5S), 05GD02 (2018). DOI: 10.7567/JJAP.57.05GD02
- Y. Qiao, X. Li, T. Hirtz, G. Deng, Y. Wei, M. Li, S. Ji, Q. Wu, J. Jian, F. Wu, Y. Shen, H. Tian, Y. Yang, T.L. Ren. Nanoscale, 11 (41), 18923 (2019). DOI: 10.1039/C9NR05532K
- Q.L. Zhao, Z.M. Wang, J.H. Chen, S.Q. Liu, Y.K. Wang, M.Y. Zhang, J.-J. Di, G.-P. He, L. Zhao, T.-T. Su, J. Zhang, X. Liang, W.-L. Song, Z.L. Hou. Nanoscale, 13 (24), 10798 (2021). DOI: 10.1039/D0NR08032B
- A. Kuksin, D. Murashko, A. Gerasimenko. Ural-Siberian Conference on Computational Technologies in Cognitive Science, Genomics and Biomedicine (CSGB), IEEE, 250 (2022). DOI: 10.1109/CSGB56354.2022.9865613
- N. Nekrasov, N. Yakunina, V. Nevolin, I. Bobrinetskiy, P. Vasilevsky, A.Y. Gerasimenko. Biomimetics, 6 (4), 66 (2021). DOI: 10.3390/biomimetics6040066
- A.Y. Gerasimenko, A.V. Kuksin, Y.P. Shaman, E.P. Kitsyuk, Y.O. Fedorova, D.T. Murashko, A.A. Shamanaev, E.M. Eganova, A.V. Sysa, M.S. Savelyev, D.V. Telyshev, A.A. Pavlov, O.E. Glukhova. Nanomaterials, 12 (16), 2812 (2022). DOI: 10.3390/nano12162812
- A.Yu. Gerasimenko, E. Kitsyuk, U.E. Kurilova, I.A. Suetina, L. Russu, M.V. Mezentseva, A. Markov, A.N. Narovlyansky, S. Kravchenko, S.V. Selishchev, O.E. Glukhova. Polymers, 14 (9), 1866 (2022). DOI: 10.3390/polym14091866
- A.Y. Gerasimenko, A.V. Kuksin, Y.P. Shaman, E.P. Kitsyuk, Y.O. Fedorova, A.V. Sysa, A.A. Pavlov, O.E. Glukhova. Nanomaterials, 11, 1875 (2021). DOI: 10.3390/NANO11081875
- A.Y. Gerasimenko, G.N. Ten, D.I. Ryabkin, N.E. Shcherbakova, E.A. Morozova, L.P. Ichkitidze. Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc., 227, 117682 (2020). DOI: 10.1016/j.saa.2019.117682
- M.S. Savelyev, A.Y. Gerasimenko, P.N. Vasilevsky, Y.O. Fedorova, T. Groth, G.N. Ten, D.V. Telyshev. Anal. Biochem., 598, 113710 (2020). DOI: 10.1016/J.AB.2020.113710
- A.Y. Gerasimenko, U.E. Kurilova, M.S. Savelyev, D.T. Murashko, O.E. Glukhova. Compos. Struct., 260, 113517 (2021). DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113517
- A.Y. Gerasimenko, U.E. Kurilova, I.A. Suetina, M.V. Mezentseva, A.V. Zubko, M.I. Sekacheva, O.E. Glukhova. Appl. Sci., 11, 8036 (2021). DOI: 10.3390/APP11178036
- N.A. Demidenko, A.V. Kuksin, V.V. Molodykh, E.S. Pyankov, L.P. Ichkitidze, V.A. Zaborova, A.A. Tsymbal, S.A. Tkachenko, H. Shafaei, E. Diachkova, A.Yu. Gerasimenko. Bioeng., 9, 36 (2022). DOI: 10.3390/BIOENGINEERING9010036
- Y. Yuan, J. Chen. Laser Phys. Lett., 13 (2016). DOI: 10.1088/1612-2011/13/6/066001
- L. Chico, V.H. Crespi, L.X. Benedict, S.G. Louie, M.L. Cohen. Phys. Rev. Lett., 76, 971 (1996). DOI: 10.1103/PHYSREVLETT.76.971
- M. Griffin, S.A. Iqbal, A. Sebastian, J. Colthurst, A. Bayat. PLoS One, 6, e23404 (2011). DOI: 10.1371/journal.pone.0023404
- N. Matsuki, M. Takeda, T. Ishikawa, A. Kinjo, T. Hayasaka, Y. Imai, T. Yamaguchi. Oncol. Rep., 23, 1425 (2010). DOI: 10.3892/OR_00000780/HTML