Het is een idee dat zou kunnen worden getrokken uit de pagina's van sciencefictionromans - elektronische apparaten die direct in de hersenen kunnen worden geïnjecteerd, of andere lichaamsdelen, en behandel alles, van neurodegeneratieve aandoeningen tot verlamming.

Het klinkt onwaarschijnlijk, totdat je het lab van Charles Lieber bezoekt.

Een team van internationale onderzoekers, onder leiding van Lieber, de Mark Hyman, Jr. hoogleraar scheikunde, een internationaal team van onderzoekers ontwikkelde een methode voor het vervaardigen van elektronische steigers op nanoschaal die via een injectiespuit kunnen worden geïnjecteerd. Eenmaal aangesloten op elektronische apparaten, de steigers kunnen worden gebruikt om neurale activiteit te volgen, weefsels stimuleren en zelfs de regeneratie van neuronen bevorderen. De studie wordt beschreven in een paper van 8 juni in: Natuur Nanotechnologie .

Bijdragen aan het werk waren Jia Liu, Tian Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang

"Ik heb het gevoel dat dit de potentie heeft om revolutionair te zijn, " zei Lieber. "Dit opent een volledig nieuwe grens waar we de interface tussen elektronische structuren en biologie kunnen verkennen. De afgelopen dertig jaar, mensen hebben stapsgewijze verbeteringen aangebracht in microfabricagetechnieken die ons in staat hebben gesteld om starre sondes steeds kleiner te maken, maar niemand heeft dit probleem aangepakt - de elektronica/cellulaire interface - op het niveau waarop biologie werkt."

Het idee om het biologische te combineren met het elektronische is niet nieuw voor Lieber.

In een eerdere studie, wetenschappers in het lab van Lieber hebben aangetoond dat de steigers kunnen worden gebruikt om "cyborg" -weefsel te creëren - wanneer hart- of zenuwcellen werden gekweekt met ingebedde steigers. Onderzoekers konden de apparaten vervolgens gebruiken om elektrische signalen op te nemen die door de weefsels werden gegenereerd, en om veranderingen in die signalen te meten bij het toedienen van cardio- of neurostimulerende medicijnen.

"We waren in staat om aan te tonen dat we deze steiger konden maken en cellen erin konden kweken, maar we hadden niet echt een idee hoe we dat in reeds bestaand weefsel moesten inbrengen, "Zei Lieber. "Maar als je de hersenen wilt bestuderen of de tools wilt ontwikkelen om de hersen-machine-interface te verkennen, je moet iets in het lichaam steken. Bij het volledig losmaken van de elektronicasteiger van het fabricagesubstraat, we merkten dat het bijna onzichtbaar en zeer flexibel was als een polymeer en letterlijk in een glazen naald of pipet kon worden gezogen. Vanaf daar, we vroegen gewoon, zou het mogelijk zijn om de mesh-elektronica te leveren door injectie met een injectienaald, een proces dat gebruikelijk is bij de levering van vele soorten in de biologie en de geneeskunde - je zou naar de dokter kunnen gaan en je injecteert dit en je bent bedraad.'"

Hoewel het niet de eerste pogingen zijn om elektronica in de hersenen te implanteren - diepe hersenstimulatie wordt al tientallen jaren gebruikt om een ​​verscheidenheid aan aandoeningen te behandelen - werken de nano-gefabriceerde steigers op een heel andere schaal.

"Bestaande technieken zijn grof in vergelijking met de manier waarop de hersenen zijn bedraad, Lieber legde uit. "Of het nu gaat om een ​​siliciumsonde of flexibele polymeren... ze veroorzaken ontstekingen in het weefsel waarvoor periodiek de positie of de stimulatie moet worden veranderd. Maar met onze injecteerbare elektronica, het is alsof het er helemaal niet is. They are one million times more flexible than any state-of-the-art flexible electronics and have subcellular feature sizes. They're what I call "neuro-philic" - they actually like to interact with neurons.."

Despite their enormous potential, the fabrication of the injectable scaffolds is surprisingly easy.

"That's the beauty of this - it's compatible with conventional manufacturing techniques, " Lieber said.

The process is similar to that used to etch microchips, and begins with a dissolvable layer deposited on a substrate. To create the scaffold, researchers lay out a mesh of nanowires sandwiched in layers of organic polymer. The first layer is then dissolved, leaving the flexible mesh, which can be drawn into a syringe needle and administered like any other injection.

After injection, the input/output of the mesh can be connected to standard measurement electronics so that the integrated devices can be addressed and used to stimulate or record neural activity.

"These type of things have never been done before, from both a fundamental neuroscience and medical perspective, " Lieber said. "It's really exciting - there are a lot of potential applications."

Vooruit gaan, Lieber said, researchers hope to better understand how the brain and other tissues react to the injectable electronics over longer periods.

Harvard's Office of Technology Development has filed for a provisional patent on the technology and is actively seeking commercialization opportunities.

"Having those results can prove that this is really a viable technology, " Lieber said. "The idea of being able to precisely position and record from very specific areas, or even from specific neurons over an extended period of time - this could, I denk, make a huge impact on neuroscience."