Климовская А.И., Чайковский Ю.Б., Наумова О.В., Высоцкая Н.А., Корсак А.В., Лиходиевский В.В., Фомин Б.И.

КУЛОНОВСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ИНТЕРФЕЙСЕ «НИТЕВИДНЫЙ КРИСТАЛЛ КРЕМНИЯ-НЕРВНАЯ ТКАНЬ»

---

Об авторе:	Климовская А.И., Чайковский Ю.Б., Наумова О.В., Высоцкая Н.А., Корсак А.В., Лиходиевский В.В., Фомин Б.И.
Рубрика	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА
Тип статьи	Научная статья.
Аннотация	В последние годы интерфейс «нитевидный кристалл кремния-нервная ткань» привлекает особое внимание в связи с тем, что кремний является самым перспективным материалом для разработки нейро-компьютеров и для регенерации нервной ткани. Главная задача этих исследований это выяснение механизмов формирования таких интерфейсов и разработка методов управления их свойствами. Несмотря на множество публикаций до настоящего времени нет четкого понимания механизмов формирования этих интерфейсов. Отсутствие этих знаний является главным препятствием на пути создания устройств, регенерирующих поврежденную нервную ткань, или устройств, способных полностью заменить ее поврежденные участки и согласованно работать со здоровой частью нервной системы. В настоящей работе мы представляем результаты исследований интерфейса «нитевидный кристалл кремния-нервная ткань» в экспериментах in vivo и in vitro. Эксперименты показали, что адгезия нервной ткани к нитевидному кристаллу кремния как в живом организме, так и в физиологической среде связана с электростатическим взаимодействием между поверхностями обеих составляющих интерфейса. Сильное взаимодействие компонентов интерфейса обусловлено кулоновским взаимным притяжением противоположно заряженных поверхностей нервного волокна и кремниевого нитевидного кристалла. Это было показано экспериментально с использованием кремниевого полевого нанотранзистора с двумя затворами. В этом эксперименте мы определили знаки и измерили плотности заряда на обеих поверхностях интерфейса. Оказалось, что поверхность мембраны нерва заряжена положительно и плотность заряда равна ~ 2x1013 см-2, поверхность кристалла кремния – заряжена отрицательно и плотность заряда равна ~1x1014cm-2 . Учитывая кулоновское взаимодействие между нервным волокном и кристаллом кремния, мы можем сделать вывод о том, что прохождение нервного импульса по нервному волокну, которое сопровождается изменением знака заряда на поверхности волокна, должно приводить к появлению изгибной волны в нерве и к генерации поверхностной электронной волны в слое пространственного заряда в нитевидном кристалле кремния. Возникновение этих волн должно приводить к двум положительным эффектам, а именно, изгибная волна должна улучшать метаболизм в нервной ткани, и таким образом, обеспечивать жизнеспособность интерфейса, а поверхностная электронная волна, генерируемая в нитевидном кристалле кремния, может быть использована для неинвазивного способа регистрации нервных импульсов.
Ключевые слова	интерфейс, нитевидный кристалл кремния, нервная ткань
Список цитируемой литературы	Jennifer L. Collinger, Michael A. Kryger, M.D., Richard Barbara, Timothy Betler,  Kristen Bowsher, Elke H. P. Brown, Samuel T. Clanton,  Alan D. Degenhart, Stephen T. Foldes,  Robert A. Gaunter et al., CTS 7, 52 (2014). R. A. Miranda, W. D. Casebeer, A. M. Hein, J.W. Judy, E.P. Krotkov, T.L. Laabs, J.E. Manzo, K.G. Pankratz, G.A. Pratt, J.C. Sanchez, et al., J. Neurosci. Methods S0165-0270(14)00270-2 (2014). N. Birbaumer, A. Murguialday, C. Weber, P. Montoya, Int. Rev. Neurobiol. 86, 107 (2009). R. Biran, D.C. Martin, P.A. Tresco, J. Biomed. Mater. Res. A 82,169 (2007). Chen, Kevin H.; Dammann, John F.; Boback, Jessica L.; Tenore, Francesco V.; Otto, Kevin J.; Gaunt, Robert A.; Bensmaia, Sliman J., Journal of Neural Engineering, Volume 11, Issue 2, article id. 026004 (2014). R. J. Vetter, J. C. Williams, J. F. Hetke, E. A. Nunamaker, D. R. Kipke, IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 986 (2004). V. Lichodievskiy N. Vysotskaya, O. Ryabchikov, A.Korsak, Yu. Chaikovsky, A. Klimovskaya, Yu. Pedchenko, I. Lutsyshyn, and O. Stadnyk, Advanced Materials Research 854, 157 (2014). А. Klimovskaya, N. Vysotskaya, Yu. Chaikovsky, A. Korsak, V. Lichodievskiy, and I. Ostrovskii, Morphology of the interface “silicon wire – nerve fiber”// Advanced Materials Research (accepted for publication 12.07.2015). А. Klimovskaya, Yu. Chaikovsky, N. Vysotskaya, A. Korsak, V. Lichodievskiy, Patent Application U201506821, Ukraine (13 July 2015). Moria Kwiat, Roey Elnathan, Alexander Pevzner, Asher Peretz, Boaz Barak, Hagit Peretz, Tamir Ducobni, Daniel Stein, Leonid Mittelman, Uri Ashery, and Fernando Patolsky, Highly Ordered Large-Scale Neuronal Networks of Individual Cells −Toward Single Cell to 3D Nanowire Intracellular Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 3542 (2012). Wim L. C. Rutten, Annu. Rev. Biomed. Eng. 4, 407 (2002). V. Sandulova, P. S. Bogoyavlenskaya, and M. I. Dronyuk, USSR patent 5, 160829 (6 July 1964). I. Klimovskaya, I. P. Ostrovskii, and A. S. Ostrovskaya, Phys. Status Solidi (a) 153, 465 (1996). S. G. Davison and J. D. Levine, Surface States (Academic Press, New York & London, 1970) p. 94-102. G. W. Gobeli, F. G. Allen, Physical Review 127, 141 (1962); F. G. Allen, G. W. Gobeli, ibid.127, 150 (1962). Nesterenko, O. V. Snitko, V. T. Razumnyuk, Surface Science 9, 407 (1968). Rondey Cotterill, Biophysics (John Wiley s Sons Ltd., Chichester, England, 2002) p.249-268. D. Branton and D. W. Deamer, Membrane Structure (Springer-Verlag Wien, New York, 1972) p. 6-12. R. Ghita, C. Logofatu, C. Negrila, F. Ungureanu, C. Cotirlan, A. Manea, M. Lazarescu, C. Ghica, S. Basu, Crystalline Silicon - Properties and Uses (InTech, Rijeka, 2011) p. 23-42. V. Naumova, B. I. Fomin, D. A. Nasimov, N. V. Dudchenko, S. F. Devyatova, E. D. Zhanaev, V. P. Popov, A. V. Latyshev, L. Aseev, Yu. D. Ivanov, A. I. Archakov, Semicond. Sci. Technol. 25,055004(2010). Yu. D. Ivanov, T. O. Pleshakova, A. F. Kozlov, K. A. Malsagova, N. V. Krohin, V. V. Shumyantseva, I. D. Shumov, V. P. Popov, O. V. Naumova, B. I. Fomin, D. A. Nasimov, A. L. Aseev, and A. I. Archakov, Lab on a Chip. 12, 5104 (2012). V. P. Popov, O. V. Naumova, Yu.D. Ivanov, In Semiconductor-On-Insulator Materials for NanoElectronic Application, ed. by A. Nazarov, J.-P.Colinge, F. Balestra, J.-P. Raskin, F. Gamiz and V.S. Lysenko, Springer 2011, p.343-354.
Публикация статьи	«Мир Медицины и Биологии» №1(55), 2016 год, 136-141 страницы, код УДК 616.36