Het zenuwstelsel zit vol met gecodeerde informatie:gedachten, emoties, motorische controle. Dit systeem in ons lichaam is een raadsel, en hoe meer we kunnen doen om het te begrijpen, hoe meer we kunnen doen om het menselijk leven te verbeteren. Hersen-machine-interfaces bieden een manier om verbinding te maken met dit raadselachtige orgaansysteem, inclusief de hersenen. Maar omdat elektronische apparaten stijf zijn, vlak, en stijf, ze veroorzaken schade aan het zachte weefsel van de hersenen.

Tot nu, het was een enorme uitdaging om een ​​materiaal- en fabricagemethode te ontwikkelen die flexibel genoeg is om te versmelten met de hersenen, maar plakkerig genoeg om op één plek te blijven. Echter, Carnegie Mellon University Universitair hoofddocent materiaalwetenschap en -techniek en biomedische technologie Chris Bettinger en zijn groep hebben een hydrogelmateriaal en fabricageproces ontwikkeld voor elektroden die aan de hersenen kleven, passend bij zijn zachte, slappe make-up.

"Stel je voor dat je een kom Jell-O hebt, en je steekt een stijve plastic vork in de kom en beweegt hem rond, "zegt Bettinger. "Het zal de Jell-O beschadigen, defecten en onomkeerbare structurele veranderingen veroorzaken. Die situatie is analoog aan het inbrengen van een stijve elektronische sonde in zacht weefsel, zoals iemands hersenen. Het is een combinatie van wat we micro-beweging en mechanica noemen, die samenwerken om niet alleen de hersenen te beschadigen, maar ook de functie van de geïmplanteerde sensor in gevaar brengen."

De stijve elektrode detecteert wanneer neuronen vuren en registreert de spanningen die horen bij die vurende neuronen. Maar na verloop van tijd, het lichaam interpreteert dit materiaal als een verwonding en een vreemd lichaam dat moet worden aangevallen, gedegradeerd, geïsoleerd, en verwijderd. Ontstekingscellen omringen dan de sonde, het verstoren van de signaalsterkte van de neuronen in dat gebied.

In de afgelopen twintig jaar, op silicium gebaseerde elektronica is geëvolueerd van een stijve en vlakke vorm naar gebogen, flexibel, en rekbaar. De stijfheid van deze elektronica is geëvolueerd van stijf als hout, te dun en flexibel als papier, tot rekbaar en buigzaam als elastiekjes. Nutsvoorzieningen, Het team van Bettinger gaat nog een stap verder, waardoor ze niet alleen flexibel en rekbaar zijn, maar ook extreem zacht en klevend.

"Als we elektronische apparaten zouden kunnen fabriceren die mechanische eigenschappen hebben die dichter bij 'Jell-O' liggen in plaats van hout of plastic, dan kunnen we heimelijk neurale sondes op een meer goedaardige manier met de hersenen verbinden, ', zegt Bettinger.

De uitdaging is dat de processen die worden gebruikt om geavanceerde elektronica te maken hoge temperaturen vereisen (400 C of hoger), een vacuüm, en exotische oplosmiddelen, buffers, zuren, en basen om materialen en patronen te etsen. Geen van deze is compatibel met zachte hydrogelmaterialen.

Om deze fundamentele problemen te bestrijden, Bettinger en zijn team creëerden een nieuwe manier om de elektronica te fabriceren - door de fabricageprocessen van het elektronische onderdeel en het zachte substraat waarin het is ingebed los te koppelen. ze construeren het elektronische onderdeel op een ondergrond die bestand is tegen hoge temperaturen, extreme oplosmiddelen, en een vacuüm, en maak het hydrogelsubstraat afzonderlijk aan. Vervolgens, ze verwijderen het elektronische stuk van het oorspronkelijke substraat en hechten het aan het hydrogelsubstraat. Het uiteindelijke apparaat bevat een dun laagje elektronica op een zachte, flexibel, en kleverig substraat dat mechanische eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met die van het zenuwstelsel.

Een andere uitdaging was het creëren van een materiaal dat nog steeds klevend was in vloeistof. Als het materiaal zich niet kan hechten als het nat is, het zou hetzelfde zijn als proberen een pleister op te houden terwijl je in het zwembad bent. Om de elektrode te laten werken, moet deze lange tijd op één plaats blijven zitten. De onderzoekers bestudeerden de eigenschappen van dieren als de blauwe mossel, die aan rotsen onder water kleeft. Ze pasten dezelfde chemische principes toe bij het maken van het hydrogelsubstraat.

"In plaats van een brein of een ruggenmerg te moeten nemen en er dan iets in te steken en het dan te verwonden, " zegt Bettinger, "we kunnen het erop lamineren en letsel aan het weefsel voorkomen."

Het feit dat de knooppunten het weefsel niet beschadigen en niet bewegen, betekent dat ze een sterker en nauwkeuriger signaal van de vurende neuronen kunnen opnemen. De sondes konden nu niet alleen worden gebruikt om signalen op te nemen, maar ook om therapieën te stimuleren.

Bijvoorbeeld, de elektrode-array in de sonde zou het signaal kunnen blokkeren dat ontstekingen veroorzaakt bij mensen met reumatoïde artritis. In plaats van pijnstillers zoals opiaten te gebruiken, een op elektronische apparatuur gebaseerde therapie die geschikte regio's van het ruggenmerg stimuleert, kan gerichter en effectiever zijn, terwijl het risico op verslaving wordt vermeden in vergelijking met op geneesmiddelen gebaseerde interventies. De elektroden kunnen ook worden gebruikt voor langdurige opnametoepassingen, zoals testen hoe een nieuw medicijn het hart kan beïnvloeden. een kleverige, zachte elektrode die kan buigen en buigen, kan het hart omhullen, registreer zijn weeën, en aangeven welk medicijn het meest effectief is.

"We proberen de temporele bandbreedte van deze sondes te verbeteren, door de levensduur van het materiaal te behouden. Dan kunnen we meer informatie verkrijgen en een geschikte signaal-ruisverhouding handhaven, "zei Bettinger. "Onderzoekers in meerdere disciplines proberen de manier te verbeteren waarop elektronische apparaten kunnen communiceren met het zenuwstelsel. We hebben het gevoel dat we bijdragen aan deze bredere inspanning door de materiaaltoolbox uit te breiden om de prestaties van het apparaat te verbeteren."

Bettinger en zijn groep werken samen met onderzoekers op het gebied van elektrotechniek en computertechniek bij Carnegie Mellon en met onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .