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プラズモン結合型光電容量ニューロモデュレーター
Plasmon-Coupled Photocapacitor Neuromodulators.
PMID: 32667186 DOI: 10.1021/acsami.0c09455.
抄録
光エネルギーを効率的に生体電気刺激に変換することは、生体システムとの効果的なコミュニケーションのための重要な目標である。そのために、プラズモニクスは光と物質の相互作用を高めることで大きな可能性を秘めています。しかし、プラズモニクスは主に膜の容量変化（光容量）による熱による細胞刺激に利用されてきましたが、本研究室では、プラズモニクスが光エネルギーを効率的に伝達することを実証しました。代わりに、ここでは、フォトキャパシタのバイオインターフェースへのプラズモニック結合が、ファラダ電流を1％以下に維持しながら、可視スペクトル全体で平均185％の安全かつ効果的な神経調節性変位電荷を改善することを実証している。青色領域では熱電子注入が主に変位電流の増大を導き、赤色領域ではナノアンテナ効果が主に改善の原因となっていることを明らかにした。プラズモニックフォトキャパシタは、最も感度の高い光電子神経インターフェースの一つに相当する最大網膜強度レベル以下の3桁の大きさで、単一細胞のワイヤレス変調を容易にする。この研究は、ニューロンの安全かつ効果的な光刺激のためのプラズモニクスの新しい使用方法を紹介し、超高感度プラズモン支援神経刺激デバイスへの道を開くものである。
Efficient transduction of optical energy to bioelectrical stimuli is an important goal for effective communication with biological systems. For that plasmonics has significant potential via boosting the light-matter interactions. However, plasmonics has been primarily used for heat-induced cell stimulation due to membrane capacitance change (i.e., optocapacitance). Instead, here we demonstrate that plasmonic coupling to photocapacitor biointerfaces improves safe and efficacious neuromodulating displacement charges for an average of 185% in the entire visible spectrum while maintaining the Faradaic currents below 1%. Hot-electron injection dominantly leads the enhancement of displacement current at blue spectral window, and nanoantenna effect is mainly responsible for the improvement at red-spectral region. The plasmonic photocapacitor facilitates wireless modulation of single cells at 3-orders of magnitude below the maximum retinal intensity levels corresponding to one of the most sensitive optoelectronic neural interfaces. This study introduces a new way of using plasmonics for safe and effective photostimulation of neurons and paves the way toward ultra-sensitive plasmon-assisted neurostimulation devices.