[发明专利]一种用于神经调控的光电转换纳米粒子及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于神经调控的光电转换纳米粒子及其制备方法和应用，所述光电转换纳米粒子包括亲水改性的TiO₂纳米粒子、和连接于所述亲水改性的TiO₂纳米粒子表面的金纳米粒子。本发明的光电转换纳米材料，在405 nm光照下产生光电流，可有效使神经细胞去极化，在癫痫斑马鱼上表现显著的抗癫痫治疗效果。

技术领域

本发明属于纳米生物医学研究领域，涉及一种用于神经调控的光电转换纳米粒子及其制备方法和应用，即利用半导体TiO₂在适当波长光照下产生电子空穴对，与TiO₂连接的金纳米粒子作为光生电子受体，使TiO₂产生的电子流动到金纳米粒子，与神经细胞表面的正电荷相互作用，使神经细胞去极化而达到神经调控的目的，可用于神经细胞功能的研究、神经疾病的治疗等方面。

背景技术

大脑是生命体内结构与功能最复杂的器官，多数脑部疾病的发病原因依然不为人们所知。确定与神经疾病相关的细胞群对疾病的治疗具有重大意义，而对单个神经细胞进行精准调控是精确解析脑神经细胞功能、确定发病原因的前提。因此，调控脑神经细胞活动的无损、精准远程控制技术，对神经细胞活动的研究和相关神经疾病的治疗具有极其重要的作用。在已有的神经调控技术中，光刺激是一种可远程调控细胞活动的方式，并且避免了电极刺激的侵入性和低特异性等缺点。例如，有文献报道可通过红外光产热对神经细胞进行刺激。光遗传学是一种光学神经调控的成熟技术，它将遗传工程与光学相结合，用于控制特定神经细胞的活动，为确定它们在调控脑部功能中的角色提供证据。然而，必需且繁杂的靶细胞基因修饰过程限制了光遗传学的广泛应用。

生命体的各种感觉和运动功能都是与之对应的神经细胞接收刺激后产生动作电位的结果。当传导过程受阻或失调的神经细胞产生异常神经兴奋时，便会发生运动障碍疾病。研究表明，刺激与疾病相关的脑部神经区域可以缓解症状。目前，主要的神经刺激方式是电极的深层脑部刺激，这种治疗技术已经在临床上用于治疗活动障碍神经疾病，例如帕金斯综合症。然而，电极的长期植入会对组织造成不可逆的损伤。

新兴的纳米机器人技术是制备零部件在纳米级别的机械或机器人，灵活的设计可赋予纳米机器人多样化的功能，在生物医学中有广泛应用。一些课题组已经尝试利用纳米机器人进行神经调控，例如，利用碳纳米角和金纳米粒子的光热效应进行神经细胞的刺激。最近，有科学家利用磁热Fe₃O₄纳米粒子进行深层脑部神经刺激。然而，这种利用热刺激的技术仅对热敏感的细胞(即表达有瞬态电压感受器阳离子通道(TRPV1)的细胞)起作用，极大地限制了其应用范围；另外，热辐射不可避免会对目标区域外的细胞产生刺激，从而极大地降低神经调控精确性。

发明内容

本发明的发明人经研究得出以下见解：大脑通过电方式和化学方式进行交流，而电方式是控制细胞功能最为直接、有效的方式。可产生电流的纳米机器人将直接对细胞进行刺激，会成为一种更通用和精确的神经调控方式。半导体在适当波长光照下可以产生电子-空穴对，但电子和空穴在纳秒内复合，无法形成定向电流。如果用贵金属纳米粒子修饰半导体，则贵金属纳米粒子不仅可以作为光生电子受体促进电子和空穴的分离，还可以通过表面等离子共振效应，使宽禁带半导体的吸收扩展到可见光区域。另外，TiO₂纳米粒子和金纳米粒子由于其生物相容性，在生物医学领域受到越来越多的关注。

针对现有技术存在的问题以及基于发明人的以上见解，本发明的目的是提供一种用于神经调控的纳米材料，利用纳米材料的光电转换效应使神经细胞在电刺激下去极化，克服了利用热刺激方式进行神经调控的应用范围窄、精确性低及电极刺激侵入性的缺点，提供一种更通用、精确高效的神经调控技术。

一方面，本发明提供一种光电转换纳米粒子(简称NCs)，其包括亲水改性的TiO₂纳米粒子、和连接于所述亲水改性的TiO₂纳米粒子表面的金纳米粒子。