Politiofeni lipofilici per accesso intracellulare

L'uso del SAM PT offre un'opportunità interessante, in quanto la membrana del neurone fissato è estratta molto vicino (50-100 nm) all'elettrodo. Con questo livello del contatto prossimo, la registrazione intracellulare potrebbe essere realizzata facilmente, se la rottura sostanziale della membrana potesse essere evitata. I neuroni possono chiaramente tollerare le piccole buche nelle loro membrane; contengono sia porte costantemente aperte che i canali dello ione, così come altri pori della proteina, che effettuano uno scambio normale di sostanze fra gli spazi intracellulari ed extracellulari. Di conseguenza, se una piccola (e presumibilmente lipofilica) molecola conduttitrice potesse essere inserita in una membrana cellulare mentre è accoppiata ad un più grande elettrodo, potrebbe fornire l'accesso ai segnali intracellulari senza uccidere la cellula dell'obiettivo. Con il fatto che il PT può essere sintetizzato con molte catene laterali idrofobe, si propone il concetto di inserimento del "wire" specifico PT tramite la membrana del neurone per accedere al potenziale intracellulare. Il concetto è illustrato nella parte B della figura 3.1. È sostenuto tramite le dimostrazioni precedenti di un polimero che può inserirsi nelle membrane lipidiche, anche se quel polimero è stato destinato a sigillare le membrane delle cellule danneggiate. Questa tecnica della registrazione del molecolar wire richiamerebbe simultaneamente molti dei problemi neuro-robotici attuali dell'interfaccia. Effettuando il contatto profondo fra il neurone e l'elettrodo tutte le volte, gli effetti del micromotion e l'insieme dello spostamento sarebbe stato ridotto o eliminato, così sono stati ridotti o eliminati gli elettrodi guasti. Un'interfaccia stimolatrice neuro-robotica sarebbe assicuratrice del collegamento univoco elettrodo-NEURONE, così eliminando i meccanismi correnti di sovraeccitazione meccanismi creduti per essere alla base della perdita dell'eccitabilità di un neurone. Inoltre, come indicato tramite i risultati sui ratti, questo stimolo altamente specifico può attivare maggiormente i programmi complessi del motore. Mentre il concetto di accesso intracellulare basato sul PT è semplice, i residui esterni idrofobici della membrana sono altamente evoluti con canali ben conservati, suggerenti che non appena qualsiasi PT basterà; le catene laterali devono essere scelte per ottimizzare la compatibilità. I dati preliminari di solubilità, usando gli esani come lipidi della membrana, potevano identificare alcuni polimeri candidati per lo studio. Sono stati usati due modelli polimerici: poli(3-(2-etilesil)-tiofene) (EHPT), che è solubile negli esani e poli(3-esiltioene) (HPT), che è scarsamente solubile negli esani. Questi due modelli possono essere usati per verificare il concetto che il PT può essere inserito nelle membrane del doppio strato lipidico e condurre la corrente attraverso quelle membrane. Un'ulteriore lavoro allora sarà necessario ad ottimizzare la selezione del polimero ed equilibrare giustamente tutte le alternanze nel mezzo, per esempio, la solubilità lipidica, la conducibilità e facilità della sintesi.

Perchè il politiofene?

Le sezioni precedenti hanno spiegato il valore del SAM polimero conduttore come un'interfaccia elettrodo potenziale neurorobotico e hanno suggerito come tale SAM potrebbe essere usato per stabilire la registrazione intracellulare. Tuttavia, rimane la domanda: perché il politiofene? C'è un vasto universo di polimeri conduttori, ma i politiofeni rispondono ai requisiti in maniera otttima. Essi combinano l'alta conduttività e l'alta versatilità. I politiofeni, quando sintetizzati in modo testa-coda (RR-HT), la maggior parte dei polimeri presenta alta conduttività. La figura 3,3 mostra come l'accoppiamento RR-HT è l'ingrediente essenziale per quest'alta conduttività. I legami monomerici con le lunghe catene laterali disposte testa-coda permette agli anelli di rimanere approssimativamente coplanari (un piccolo angolo diedro tra i piani degli anelli). Gli anelli con piccoli angoli diedri relativi l'un l'altro, hanno un alto grado di sovrapposizione orbitalica, dove gli elettroni sono delocalizzati lungo la catena, fornendo il meccanismo necessario per il convogliamento elettrico. Questo stesso effetto non è facilmente conseguito con gli altri polimeri conduttori come PPY. Il monomero di pirrolo può essere funzionalizzato con le catene alchiliche in un modo simile, ma i tentativi di polimerizzare poli(alchilpirroli) tende a fallire. I monomeri di pirrolo sono più reattivi dei monomeri tiofene, e daranno origine a prodotti di basso peso molecolare e alto grado di impurità. I PT sono anche più stabili dei PPY una volta sintetizzati, in parte dovuto alla più bassa reattività monomerica. I politiofeni sono anche i polimeri conduttori più versatili. Una volta sintetizzati, possono essere funzionalizzati con molti gruppi terminali. Le catene laterali possono anche essere adattate per avere una vasta gamma di proprietà. Attraverso la polimerizzazione a blocchi o la copolimerizzazione casuale, è possibile combinare le proprietà multiple (come l'idrofobicità ed l'idrofilicità) nella stessa molecola di PT.

Fig 3,2 mostra che il RR-HT ripete l'unità nella conformazione anti, energeticamente favorita. Fig. 3,3 Illustrazione della struttura chimica di poli(alchiltiofeni) e l'importanza di un'accopiamento testa-coda regioregolare (RR-HT). La Fig. 3,3 illustra perché la configurazione RR-HT ottimizza la conduttività di PT.

La configurazione testa-coda consente alle catene laterali di evitare di interagire. Dal contrasto, di polimeri regioirregolari o regioregolari non-HT includeremo i polimeri legati testa-testa (HH). Come mostrato dalla freccia nella Fig. 3,3, l'HH legato tra gli anelli di tiofene assicura che renderanno le catene laterali estremamente tese come legami tra gli anelli ruotati. Questo fenomeno energeticamente sfavorevole forzerà gli anelli lontano dalla coplanarità, diminuendo la sovrapposizione ed abbassando la conduttività degli orbitali atomici del polimero conseguendo un alto grado di polimerizzazione. Le catene laterali correttamente disposte possono muoversi e danno la conduttività al polimero in presenza di ioni, piccole molecole organiche, ed anche con le biomacromolecole. Questa vasta gamma di opzioni sarà importante per gli studi futuri. Gli studi del futuro sulle interfacce neuro-robotiche dovranno sviluppare PT ottimizzati per le applicazioni particolari.

Ricapitolando

I politiofeni offrono maggiore stabilità e versatilità rispetto ad altri polimeri neuro-robotici dell'interfaccia, specialmente nella disponibilità di tantissime catene laterali e gruppi terminali. Questa versatilità sarà sfruttata per unire i vantaggi degli strati monomolecolari autoassemblanti e le pellicole conduttive del polimero. Inoltre sarà aperta la strada per un nuovo tipo di registrazione intracellulare. Questi nuovi metodi dovrebbero produrre un nuovo elettrodo a base polimerica che sia biocompatible quanto gli elettrodi a base polimerica, ma che sia più resistente ed offra un legame più specifico fra l'elettrodo ed il neurone. I due componenti di questa nuova tecnologia elettrodica, saranno richiamati in serie, in strati monomolecolari auto-assemblanti di PT e transmembrane a base di PT. Per ottenere questi risultati tre cose devono essere indicate: quale PT può formare SAM, questo SAM può essere biocompatibile, e che l'elettrodo a più bassa impedenza sia SAM-biocompatible. L'estremità dei tiolati formerà SAM puro e misto, e può sostenere coppie di proteine, e la nanostruttura di quei SAM sarà analizzata. E' stata dimostrata biocompatibilità con i neuroni di roditori (uno dei modelli in vitro più rigorosi). Il modello PT utilizzato non può fornire sufficiente diminuzione di impedenza con le spesse pellicole di PPY o di PEDOT, ma i loro altri vantaggi possono compensare quella limitazione e la scelta migliore del polimero dovrebbe migliorare le prestazioni. Per l'accesso elettrico intracellulare, i punti critici da dimostrare sono l'inserzione di un PT nel doppio strato lipidico e prova della relativa conduttività elettrica causato dall'inserimento. Questi saranno affrontati nell'ordine d'inversione, usando un sistema di modello semplificato in modo da minimizzare i fattori di confusione.

  in sù   esci   successiva