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Sarkar is joined on the paper by lead author Marta J. I. Airaghi Leccardi, a former MIT postdoc who is now a Novartis Innovation Fellow; Benoît X. E. Desbiolles, an MIT postdoc; Anna Y. Haddad ’23, who was an MIT undergraduate researcher during the work; and MIT graduate students Baju C. Joy and Chen Song. The research appears today in Nature Communications Chemistry.

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After perfecting the use of light to control rolling, they tested the devices on rat neurons and found they could tightly wrap around even highly curved axons and dendrites without causing damage.

Wearable devices like smartwatches and fitness trackers interact with parts of our bodies to measure and learn from internal processes, such as our heart rate or sleep stages.

Now, MIT researchers have developed wearable devices that may be able to perform similar functions for individual cells inside the body.

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Der Hauptunterschied zu allen anderen Filtertypen besteht darin, daß das Filtermateriel nicht direkt vollkommen durchströmt wird, Daß Problem der Verschlammung des Mediums, des Absinken der Anströmungsgeschwindigkeit besteht als solches nicht. Auf der anderen Seite besteht im hinteren Bereich der Matten so gut wie keine Anströmung, sondern die Austauschprozesse beruhen dort vorwiegend auf Diffusionsvorgängen.

Among the biggest challenges they faced was developing a scalable fabrication process that could be performed outside a clean room. They also iterated on the ideal thickness for the devices, since making them too thick causes cracking when they roll.

“It is possible to very finely control the diameter of the rolling. You can stop if when you reach a particular dimension you want by tuning the light energy accordingly,” Sarkar explains.

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The researchers experimented with several fabrication techniques to find a process that was scalable and wouldn’t require the use of a semiconductor clean room.

The research was supported by the Swiss National Science Foundation and the U.S. National Institutes of Health Brain Initiative.

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At the same time, axons and other cellular components are fragile, so any device that interfaces with them must be soft enough to make good contact without harming them.

The thin films can form tiny microtubes with diameters that are less than a micrometer. This enables them to gently, but snugly, wrap around highly curved axons and dendrites.

Brain cells have complex shapes, which makes it exceedingly difficult to create a bioelectronic implant that can tightly conform to neurons or neuronal processes. For instance, axons are slender, tail-like structures that attach to the cell body of neurons, and their length and curvature vary widely.

Diese Seite soll nicht Bau und Betrieb eines Diffusionsfilters zum Ziel haben, dafür sei auf die empfehlenswerte Seite der Aquaristik-Hilfe verwiesen. Ziel dieser Besprechung ist die Einbindung dieses Filtertyps in die biologischen Vorgänge eines Aquarium und soll unsere Erfahrungen zusammenfassen.

In addition, because they make such a tight connection with cells, one could use very little energy to stimulate subcellular regions. This could enable a researcher or clinician to modulate electrical activity of neurons for treating brain diseases.

Dieser Filter wurde in einigen aquaristischen Diskussionsplattformen im Internet nach seiner Vorstellung sehr kontrovers diskutiert, wobei es sich meist weniger um die Wirkungsweise und Effektivität dieses Filters ging, sondern oftmals um die Begriffe Diffusion, Zwangsdurchströmung, Anströmung und ähnliche. Um meine persönliche Meinung gleich vorweg zu nehmen, der Begriff "Diffusionsfilter" ist bei genauer Betrachtung genauso unglücklich gewählt wie das "filterlose Aquarium", da nicht alle Prozesse eines derartigen Filters auf reinen Diffusionsvorgängen basieren.

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Eine der Möglichkeiten, die angesprochenen Punkte zu erfüllen, ist der Diffusionsfilter von Joachim Mundt, der 2001 auf der Webseite des Autors, der Aquaristik-Hilfe vorgestellt wurde.

Due to a material transformation, thin sheets of azobenzene will roll when exposed to light, enabling them to wrap around cells. Researchers can precisely control the direction and diameter of the rolling by varying the intensity and polarization of the light, as well as the shape of the devices.

They begin by depositing a drop of azobenzene onto a sacrificial layer composed of a water-soluble material. Then the researchers press a stamp onto the drop of polymer to mold thousands of tiny devices on top of the sacrificial layer. The stamping technique enables them to create complex structures, from rectangles to flower shapes.

Because these devices are wireless and free-floating, the researchers envision that thousands of tiny devices could someday be injected and then actuated noninvasively using light. Researchers would precisely control how the wearables gently wrap around cells, by manipulating the dose of light shined from outside the body, which would penetrate the tissue and actuate the devices.

In non-myelinating diseases like multiple sclerosis, neurons lose some insulating myelin sheets. There is no biological way of regenerating them. By acting as synthetic myelin, the wearables might help restore neuronal function in MS patients.

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An den im Normalfall 5 cm dicken Filtermatten werden von der Theorie unterschiedliche Prozesse ablaufen. Im vorderen, zum vorbeifließenden Wasser orientierten Bereich werden Durchströmungen, vor allem laminarer Art, vorherrschen, in der Tiefe der Filtermatte hingegen wird die Wassersäule weitgehend ruhen und hier soll die Nährstoffnachlieferung auf reinen Diffusionsvorgängen basieren. Es stellt sich also ein Gradient von der Mehrzahl der im Wasser gelösten Stoffe ein. Im vorderen Bereich werden oxidative Verhältnisse vorherrschen, im hinteren Bereich eher reduktive.

Because azobenzene is an insulator, one direct application is using the devices as synthetic myelin for axons that have been damaged. Myelin is an insulating layer that wraps axons and allows electrical impulses to travel efficiently between neurons.

Zur Darstellung des Wirkungsprinzips dienen folgende Abbildungen aus der Homepage der Aquaristik-Hilfe (alle Abbildungen Copyright Joachim Mundt):

Once they have a solution with free-floating devices, they wirelessly actuated the devices with light to induce the devices to roll. They found that free-floating structures can maintain their shapes for days after illumination stops.

“This work is an exciting step toward new symbiotic neural interfaces acting at the level of the individual axons and synapses. When integrated with nanoscale 1- and 2D conductive nanomaterials, these light-responsive azobenzene sheets could become a versatile platform to sense and deliver different types of signals (i.e., electrical, optical, thermal, etc.) to neurons and other types of cells in a minimally or noninvasive manner. Although preliminary, the cytocompatibility data reported in this work is also very promising for future use in vivo,” says Flavia Vitale, associate professor of neurology, bioengineering, and physical medicine and rehabilitation at the University of Pennsylvania, who was not involved with this work.

The researchers also demonstrated how the devices can be combined with optoelectrical materials that can stimulate cells. Moreover, atomically thin materials can be patterned on top of the devices, which can still roll to form microtubes without breaking. This opens up opportunities for integrating sensors and circuits in the devices.

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“To have intimate interfaces with these cells, the devices must be soft and able to conform to these complex structures. That is the challenge we solved in this work. We were the first to show that azobenzene could even wrap around living cells,” she says.

“It is exciting to demonstrate this symbiosis of an artificial device with a cell at an unprecedented resolution. We have shown that this technology is possible,” Sarkar says.

Da die Abpufferung von Schwankungen im Stickstoffhaushalt eines Aquariums eine der wesentlichen, wenn nicht sogar die zentrale Aufgabe eines Filters ist, ist die logische Konsequenz, einen Filter zu konstruieren, der die Effektivität im Stickstoffhaushalt gewährleistet, allerdings zeitgleich eine dauerhaft stabile Anströmgeschwindigkeit gewährleistet, was nichts anderes als sher hohe Standzeit bedeutet, und einer "Verschlammung" der Filtermedien entgegenwirkt.

Das Aquarium als Ganzes ist der Filter. Ein Filter im herkömmlichen Sinne ist ein Raum mit definiertem Siedlungssubstrat, einer erhöhten Anstromgeschwindigkeit und einer kontinuierlichen Nährstoffversorgung. Ein definierter Filter, also ein Filter im herkömmlichen Sinn hat im wesentlichen nur die Aufgabe, stärkere Schwankungen im Stickstoffhaushalt des Biotops Aquarium abzupuffern. Ein Filter ist im Prinzip eine Mulmfalle. Die mit der Zeit auftretende "Verschlammung" eines Filters wirkt der Filterleistung entgegen. Die Anströmgeschwindigkeit und die Nährstoffnachlieferung sinken und damit verändern sich die Bakterien-Biofilme. Es kommt u.U. zum Ausfällen für den Pflanzenwuchs erforderlicher Mikronährstoffe.

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A baking step ensures all solvents are evaporated and then they use etching to scrape away any material that remains between individual devices. Finally, they dissolve the sacrificial layer in water, leaving thousands of microscopic devices freely floating in the liquid.

Auf die fehlende oder nur partiell vorhandene Durchströmung der Filtermedien konzentrierte sich ein großer Teil der Kritik, die an diesem Filtertyp geübt wurde, es wurde dem Filter unterstellt, biologisch nicht effektiv arbeiten zu können und daß der Filter aufgrund seiner Konstruktion nicht in der Lage wäre, Schwebepartikel abzufiltern.

In addition to exploring these applications, the researchers want to try functionalizing the device surfaces with molecules that would enable them to target specific cell types or subcellular regions.

Wie aus den Abbildungen unschwer zu erkennen ist, ist der grundsätzliche Unterschied zu anderen Filtertypen, daß das zu filternde Wasser nicht durch die Filtermedien gezogen oder gedrückt wird, sondern das es an den Filtermedien im Freispiegelgefälle vorbeiströmt.

To overcome these challenges, the MIT researchers developed thin-film devices from a soft polymer called azobenzene, that don’t damage cells they enfold.

By enfolding axons that transmit electrical impulses between neurons and to other parts of the body, these wearables could help restore some neuronal degradation that occurs in diseases like multiple sclerosis. In the long run, the devices could be integrated with other materials to create tiny circuits that could measure and modulate individual cells.

“The concept and platform technology we introduce here is like a founding stone that brings about immense possibilities for future research,” says Deblina Sarkar, the AT&T Career Development Assistant Professor in the MIT Media Lab and Center for Neurobiological Engineering, head of the Nano-Cybernetic Biotrek Lab, and the senior author of a paper on this technique.

These battery-free, subcellular-sized devices, made of a soft polymer, are designed to gently wrap around different parts of neurons, such as axons and dendrites, without damaging the cells, upon wireless actuation with light. By snugly wrapping neuronal processes, they could be used to measure or modulate a neuron’s electrical and metabolic activity at a subcellular level.