Onderzoekers van Rice University hebben een apparaat uitgevonden dat snel bewegende vloeistoffen gebruikt om flexibele, geleidende koolstof nanobuis vezels in de hersenen, waar ze kunnen helpen de acties van neuronen vast te leggen.

De op microfluïdica gebaseerde techniek van het Rice-team belooft therapieën te verbeteren die afhankelijk zijn van elektroden om neuronale signalen te detecteren en acties uit te lokken bij patiënten met epilepsie en andere aandoeningen.

Eventueel, zeiden de onderzoekers, op nanobuisjes gebaseerde elektroden kunnen wetenschappers helpen de mechanismen achter cognitieve processen te ontdekken en directe interfaces met de hersenen te creëren waardoor patiënten kunnen zien, om kunstmatige ledematen te horen of te controleren.

Het apparaat maakt gebruik van de kracht die wordt uitgeoefend door snel bewegende vloeistoffen die geïsoleerde flexibele vezels voorzichtig in het hersenweefsel brengen zonder te knikken. Deze leveringsmethode kan harde shuttles of stijve, biologisch afbreekbare omhulsels die nu worden gebruikt om draden in de hersenen af ​​te leveren. Beide kunnen onderweg gevoelig weefsel beschadigen.

De technologie is het onderwerp van een artikel in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Lab- en in vivo-experimenten lieten zien hoe de microfluïdische apparaten een viskeuze vloeistof dwingen rond een dunne vezelelektrode te stromen. De snel bewegende vloeistof trekt de vezel langzaam naar voren door een kleine opening die naar het weefsel leidt. Als het eenmaal in het weefsel is gepasseerd, tests toonden de draad, hoewel zeer flexibel, blijft recht.

"De elektrode is als een gekookte noedel die je in een kom Jell-O probeert te doen, " zei Rice-ingenieur Jacob Robinson, een van de drie projectleiders. "Op zichzelf, het werkt niet. Maar als je die noedel onder stromend water houdt, het water trekt de noedel recht."

De draad beweegt langzaam ten opzichte van de snelheid van de vloeistof. "Het belangrijkste is dat we niet op het einde van de draad of op een individuele locatie duwen, " zei co-auteur Caleb Kemere, een Rice elektro- en computeringenieur die gespecialiseerd is in neurowetenschappen. "We trekken langs de hele doorsnede van de elektrode en de kracht wordt volledig verdeeld."

"Het is gemakkelijker om aan flexibele dingen te trekken dan om ze te duwen. ' zei Robinson.

"Daarom worden treinen getrokken, niet geduwd, " zei chemicus Matteo Pasquali, een co-auteur. "Daarom wil je de kar achter het paard zetten."

De vezel beweegt door een opening die ongeveer drie keer zo groot is als zijn grootte, maar nog steeds klein genoeg om heel weinig vloeistof door te laten. Robinson zei dat geen van de vloeistof de draad volgt in hersenweefsel (of, bij experimenten, de agarosegel die dienst deed als brain stand-in).

Er is een kleine opening tussen het apparaat en het weefsel, zei Robinson. De kleine vezellengte in de opening blijft op koers als een snorhaar die stijf blijft voordat hij uitgroeit tot een haarlok. "We gebruiken deze zeer korte, niet-ondersteunde lengte zodat we in de hersenen kunnen doordringen en de vloeistofstroom aan de achterkant gebruiken om de elektrode stijf te houden terwijl we hem naar beneden in het weefsel verplaatsen, " hij zei.

"Als de draad eenmaal in het weefsel zit, het zit in een elastische matrix, rondom ondersteund door het gelmateriaal, " zei Pasquali, een pionier op het gebied van koolstofnanobuisjes wiens lab een aangepaste vezel voor het project heeft gemaakt. "Het wordt zijdelings ondersteund, zodat de draad niet gemakkelijk kan knikken."

Koolstof nanobuisvezels geleiden elektronen in elke richting, maar om te communiceren met neuronen, ze kunnen alleen aan de punt geleiden, zei Kemere. "We beschouwen isolatie als iets vanzelfsprekends. Maar het bekleden van een nanobuisdraad met iets dat zijn integriteit behoudt en ervoor zorgt dat ionen niet langs de zijkant binnenkomen, is niet triviaal, " hij zei.

Sushma Sri Pamulapati, een afgestudeerde student in Pasquali's lab, een methode ontwikkeld om een ​​koolstof nanobuisvezel te coaten en toch tussen de 15 en 30 micron breed te houden, ruim onder de breedte van een mensenhaar. "Toen we eenmaal wisten hoe groot de vezel was, we hebben het apparaat gefabriceerd om het te evenaren, Robinson zei. "Het bleek dat we het uitgangskanaal twee of drie keer de diameter van de elektrode konden maken zonder dat er veel vloeistof doorheen kwam."

De onderzoekers zeiden dat hun technologie uiteindelijk kan worden geschaald om tegelijkertijd meerdere micro-elektroden die dicht op elkaar zitten in de hersenen te leveren; dit zou het veiliger en gemakkelijker maken om implantaten in te bedden. "Omdat we minder schade aanrichten tijdens het implantatieproces, we kunnen misschien meer elektroden in een bepaald gebied plaatsen dan met andere benaderingen, ' zei Robinson.