Wetenschappers van Princeton University gebruikten kant-en-klare afdruktools om een ​​functioneel oor te creëren dat radiofrequenties kan 'horen' die ver buiten het bereik van het normale menselijke vermogen liggen.

Het primaire doel van de onderzoekers was om een ​​efficiënte en veelzijdige manier te onderzoeken om elektronica met weefsel samen te voegen. De wetenschappers gebruikten 3D-printen van cellen en nanodeeltjes gevolgd door celcultuur om een ​​kleine spoelantenne te combineren met kraakbeen, het creëren van wat zij een bionisch oor noemen.

"In het algemeen, er zijn mechanische en thermische uitdagingen bij het koppelen van elektronische materialen met biologische materialen, " zei Michael McAlpine, een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan Princeton en de hoofdonderzoeker. "Eerder, onderzoekers hebben enkele strategieën voorgesteld om de elektronica op maat te maken, zodat deze fusie minder onhandig is. Dat gebeurt meestal tussen een 2D-vel elektronica en een oppervlak van het weefsel. Echter, ons werk suggereert een nieuwe benadering - om de biologie synergetisch en in een 3D-verweven formaat op te bouwen en te laten groeien met de elektronica."

Het team van McAlpine heeft de afgelopen jaren verschillende vorderingen gemaakt met het gebruik van kleinschalige medische sensoren en antennes. Vorig jaar, een onderzoeksinspanning onder leiding van McAlpine en Naveen Verma, een assistent-professor in de elektrotechniek, en Fio Omenetto van Tufts University, resulteerde in de ontwikkeling van een "tatoeage" bestaande uit een biologische sensor en antenne die op het tandoppervlak kan worden bevestigd.

Dit project, echter, is de eerste poging van het team om een ​​volledig functioneel orgaan te creëren:een die niet alleen een menselijk vermogen repliceert, maar breidt het uit met ingebedde elektronica

"Het ontwerp en de implementatie van bionische organen en apparaten die de menselijke capaciteiten verbeteren, bekend als cybernetica, is een gebied van toenemende wetenschappelijke belangstelling, " schreven de onderzoekers in het artikel dat in het wetenschappelijke tijdschrift verschijnt Nano-letters . "Dit veld heeft het potentieel om op maat gemaakte vervangende onderdelen voor het menselijk lichaam te genereren, of zelfs organen te creëren met mogelijkheden die verder gaan dan wat de menselijke biologie gewoonlijk biedt."

Standaard tissue engineering omvat het zaaien van soorten cellen, zoals die oorkraakbeen vormen, op een steiger van een polymeer materiaal dat een hydrogel wordt genoemd. Echter, de onderzoekers zeiden dat deze techniek problemen heeft met het repliceren van gecompliceerde driedimensionale biologische structuren. Oorreconstructie "blijft een van de moeilijkste problemen op het gebied van plastische en reconstructieve chirurgie, " Zij schreven.

Het probleem oplossen, het team wendde zich tot een productiebenadering die 3D-printen wordt genoemd. Deze printers gebruiken een computerondersteund ontwerp om objecten te zien als reeksen van dunne plakjes. De printer deponeert vervolgens lagen van verschillende materialen - van plastic tot cellen - om een ​​afgewerkt product op te bouwen. Voorstanders zeggen dat additive manufacturing een revolutie teweeg zal brengen in de thuisindustrie doordat kleine teams of individuen werk kunnen creëren dat voorheen alleen door fabrieken kon worden gedaan.

Het maken van orgels met behulp van 3D-printers is een recente vooruitgang; verschillende groepen hebben gemeld dat ze de technologie de afgelopen maanden voor dit doel hebben gebruikt. Maar dit is de eerste keer dat onderzoekers hebben aangetoond dat 3D-printen een handige strategie is om weefsel met elektronica te verweven.

Dankzij deze techniek konden de onderzoekers de antenne-elektronica combineren met weefsel binnen de zeer complexe topologie van een menselijk oor. Met een gewone 3D-printer combineerden de onderzoekers een matrix van hydrogel- en kuitcellen met zilveren nanodeeltjes die een antenne vormen. De kuitcellen ontwikkelen zich later tot kraakbeen.

Manu Mannoor, een afgestudeerde student in het laboratorium van McAlpine en de hoofdauteur van het artikel, zei dat additieve fabricage nieuwe manieren opent om na te denken over de integratie van elektronica met biologisch weefsel en de creatie van echte bionische organen in vorm en functie mogelijk maakt. Hij zei dat het mogelijk zou kunnen zijn om sensoren te integreren in een verscheidenheid aan biologische weefsels, bijvoorbeeld, om stress op de kniemeniscus van een patiënt te controleren.

David Gracias, een universitair hoofddocent bij Johns Hopkins en co-auteur van de publicatie, zei dat het overbruggen van de kloof tussen biologie en elektronica een enorme uitdaging is die moet worden overwonnen om de creatie van slimme prothesen en implantaten mogelijk te maken.

"Biologische structuren zijn zacht en squishy, voornamelijk samengesteld uit water en organische moleculen, terwijl conventionele elektronische apparaten hard en droog zijn, bestaat voornamelijk uit metalen, halfgeleiders en anorganische diëlektrica, " zei hij. "De verschillen in fysische en chemische eigenschappen tussen deze twee materiaalklassen kunnen niet meer uitgesproken zijn."

Het afgewerkte oor bestaat uit een opgerolde antenne in een kraakbeenstructuur. Twee draden leiden vanaf de basis van het oor en winden rond een spiraalvormig "slakkenhuis" - het deel van het oor dat geluid waarneemt - dat verbinding kan maken met elektroden. Hoewel McAlpine waarschuwt dat er nog meer werk en uitgebreide tests moeten worden gedaan voordat de technologie bij een patiënt kan worden gebruikt, hij zei dat het oor in principe kan worden gebruikt om het menselijk gehoor te herstellen of te verbeteren. Hij zei dat elektrische signalen geproduceerd door het oor verbonden kunnen zijn met de zenuwuiteinden van een patiënt. vergelijkbaar met een gehoorapparaat. Het huidige systeem ontvangt radiogolven, maar hij zei dat het onderzoeksteam van plan is andere materialen op te nemen, zoals drukgevoelige elektronische sensoren, om het oor akoestische geluiden te laten registreren.

Naast McAlpine, Verma, Mannoor en Gracias het onderzoeksteam bestaat uit:Winston Soboyejo, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan Princeton; Karen Malatesta, een faculteitsgenoot in moleculaire biologie aan Princeton; Yong Lin Kong, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan Princeton; en Teena James, een afgestudeerde student in chemische en biomoleculaire engineering aan de Johns Hopkins.

Het team omvatte ook Ziwen Jiang, een middelbare scholier aan de Peddie School in Hightstown die deelnam aan een outreach-programma voor jonge onderzoekers in het laboratorium van McAlpine.

"Ziwen Jiang is een van de meest spectaculaire middelbare scholieren die ik ooit heb gezien, " zei McAlpine. "Zonder hem hadden we dit project niet kunnen voltooien, vooral in zijn vaardigheid in het beheersen van CAD-ontwerpen van de bionische oren."