Klas Tybrandt, hoofdonderzoeker bij het Laboratorium voor Organische Elektronica aan de Universiteit van Linköping, heeft nieuwe technologie ontwikkeld voor langdurige stabiele neurale opname. Het is gebaseerd op een nieuwe elastische materiaalcomposiet, die biocompatibel is en een hoge elektrische geleidbaarheid behoudt, zelfs wanneer uitgerekt om de oorspronkelijke lengte te verdubbelen.

Het resultaat is tot stand gekomen in samenwerking met collega's in Zürich en New York. De doorbraak, wat cruciaal is voor veel toepassingen in de biomedische technologie, wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen .

De koppeling tussen elektronische componenten en zenuwcellen is niet alleen cruciaal voor het verzamelen van informatie over celsignalering, maar ook om neurologische aandoeningen en ziekten te diagnosticeren en te behandelen, zoals epilepsie.

Het is een hele uitdaging om op lange termijn stabiele verbindingen tot stand te brengen die de neuronen of weefsels niet beschadigen, aangezien de twee systemen, het zachte en elastische weefsel van het lichaam en de harde en stijve elektronische componenten, hebben totaal verschillende mechanische eigenschappen.

"Omdat menselijk weefsel elastisch en mobiel is, schade en ontsteking ontstaan ​​op het grensvlak met starre elektronische componenten. Het veroorzaakt niet alleen schade aan weefsel; het verzwakt ook neurale signalen, " zegt Klas Tybrandt, leider van de Soft Electronics-groep bij het Laboratory of Organic Electronics, Universiteit van Linköping, Campus Norrköping.

Klas Tybrandt heeft een nieuw geleidend materiaal ontwikkeld dat zo zacht is als menselijk weefsel en tot twee keer zijn lengte kan worden uitgerekt. Het materiaal bestaat uit goudgecoate titaniumdioxide nanodraden, ingebed in siliconenrubber. Het materiaal is biocompatibel - wat betekent dat het zonder nadelige effecten in contact kan komen met het lichaam - en de geleidbaarheid blijft stabiel in de tijd.

"De microfabricage van zachte elektrisch geleidende composieten brengt verschillende uitdagingen met zich mee. We hebben een proces ontwikkeld om kleine elektroden te vervaardigen dat ook de biocompatibiliteit van de materialen behoudt. Het proces gebruikt heel weinig materiaal, en dit betekent dat we kunnen werken met een relatief duur materiaal zoals goud, zonder dat de kosten onbetaalbaar worden, ’ zegt Klas Tybrandt.

De elektroden zijn 50 µm groot en bevinden zich op een afstand van 200 µm van elkaar. Door de fabricageprocedure kunnen 32 elektroden op een zeer klein oppervlak worden geplaatst. De laatste sonde, getoond op de foto, heeft een breedte van 3,2 mm en een dikte van 80 µm.

De zachte micro-elektroden zijn ontwikkeld aan de Universiteit van Linköping en ETH Zürich, en onderzoekers van de New York University en Columbia University hebben ze vervolgens in de hersenen van ratten geïmplanteerd. De onderzoekers waren in staat om gedurende 3 maanden hoogwaardige neurale signalen te verzamelen van de vrij bewegende ratten. De experimenten zijn onderworpen aan ethische beoordeling, en hebben de strikte voorschriften gevolgd die van toepassing zijn op dierproeven.

"Als de neuronen in de hersenen signalen uitzenden, er wordt een spanning gevormd die de elektroden detecteren en doorsturen via een kleine versterker. We kunnen ook zien van welke elektroden de signalen kwamen, wat betekent dat we de locatie in de hersenen kunnen schatten waar de signalen vandaan kwamen. Dit soort tijdsruimtelijke informatie is belangrijk voor toekomstige toepassingen. We hopen te kunnen zien, bijvoorbeeld, waar het signaal dat een epileptische aanval veroorzaakt begint, een voorwaarde voor de behandeling ervan. Een ander toepassingsgebied zijn brein-machine-interfaces, waarmee toekomstige technologie en prothesen kunnen worden aangestuurd met behulp van neurale signalen. Er zijn ook veel interessante toepassingen met betrekking tot het perifere zenuwstelsel in het lichaam en de manier waarop het verschillende organen reguleert, ’ zegt Klas Tybrandt.