Arrays van metalen elektroden worden vaak gebruikt in medische procedures die monitoring of het afgeven van elektrische impulsen in het lichaam vereisen, zoals hersenchirurgie en epilepsiekartering. Echter, de metalen en plastic materialen waaruit ze bestaan, zijn stijf en onbuigzaam, terwijl de weefsels van het lichaam zacht en kneedbaar zijn. Deze mismatch beperkt de plaatsen waar elektrode-arrays met succes kunnen worden gebruikt, en vereist ook de toepassing van een grote hoeveelheid elektrische stroom om de opening tussen een elektrode en zijn doel te "springen".

Geïnspireerd door de unieke fysieke eigenschappen van levende menselijke weefsels, een team van wetenschappers van het Wyss Institute van Harvard en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft flexibele, metaalvrije elektrode-arrays die nauw aansluiten bij de talloze vormen van het lichaam, van de diepe plooien van de hersenen tot de fibreuze zenuwen van het hart. Door deze nauwe omhelzing kunnen elektrische impulsen worden geregistreerd en gestimuleerd met lagere vereiste spanningen, maakt hun gebruik op moeilijk bereikbare delen van het lichaam mogelijk, en minimaliseert het risico op schade aan gevoelige organen.

"Onze op hydrogel gebaseerde elektroden nemen prachtig de vorm aan van het weefsel waarop ze worden geplaatst, en open de deur naar het eenvoudig creëren van minder invasieve, gepersonaliseerde medische hulpmiddelen, " zei eerste auteur Christina Tringides, een afgestudeerde student aan het Wyss Institute en het Harvard Biophysics Program. De prestatie wordt gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie .

Een medisch hulpmiddel geïnspireerd op het menselijk lichaam

Een van de kenmerken van alle levende weefsels, vooral de hersenen en het ruggenmerg, is dat ze "visco-elastisch" zijn - dat wil zeggen, ze zullen terugveren naar hun oorspronkelijke vorm als er druk op wordt uitgeoefend en vervolgens worden losgelaten, maar zal permanent vervormen tot een nieuwe vorm als er continu druk wordt uitgeoefend. Een bekend voorbeeld is oormeting, waarbij het plaatsen van een grotere en grotere maat in een doorboord oor het gat in de oorlel na verloop van tijd uitrekt.

Tringides en haar team realiseerden zich dat alginaathydrogels, die zijn ontwikkeld aan het Wyss Institute voor een aantal functies, waaronder chirurgische kleefstoffen en eencellige inkapseling, zijn ook visco-elastisch, en redeneerde dat ze ze zouden moeten kunnen afstemmen op de visco-elasticiteit van weefsels. Gezien haar achtergrond in neurale engineering, Tringides besloot te proberen volledig visco-elastische elektroden te maken die de visco-elasticiteit van de hersenen zouden kunnen evenaren voor veiliger en effectievere neuro-elektrische monitoring. Standaard elektroden zijn gemaakt van metalen geleidende arrays in een dunne plastic film, en zijn tot een miljoen keer stijver dan de hersenen.

De eerste taak van het team was om te testen of hun alginaathydrogels zich met succes konden aanpassen aan levende weefsels. Na het experimenteren met verschillende soorten hydrogels, ze kozen voor een versie die het meest overeenkwam met de mechanische eigenschappen van hersen- en hartweefsel. Vervolgens plaatsten ze hun hydrogel op een nep "brein" gemaakt van gelatine-achtige agarose, en vergeleek de prestaties ervan met die van een plastic materiaal en een elastisch materiaal.

De alginaathydrogel had twee keer zoveel contact met de onderliggende nephersenen in vergelijking met de andere materialen, en was zelfs in staat om in enkele van de vele diepe groeven van de hersenen te komen. Toen ze de materialen twee weken op de nephersenen lieten liggen, het elastische materiaal was aanzienlijk verplaatst van zijn oorspronkelijke locatie en sprong onmiddellijk terug in zijn oorspronkelijke vorm toen het van het onderliggende nepweefsel werd verwijderd. In tegenstelling tot, de alginaathydrogel bleef de hele tijd op zijn plaats en behield zijn hersenachtige vorm na verwijdering.

Meegaan met de stroom

Nu het team een ​​materiaal had dat kon buigen en rond weefsels kon vloeien, ze moesten een elektrode uitvinden die hetzelfde kon doen. De overgrote meerderheid van elektroden is gemaakt van metaal omdat metalen zeer elektrisch geleidend zijn, maar ook erg stijf en onbuigzaam.

Na vele experimenten en late nachten in het lab, het team identificeerde een combinatie van grafeenvlokken en koolstofnanobuisjes als hun topkandidaat. "Een deel van het voordeel van deze materialen is hun lange en smalle vorm. Het is een beetje alsof je een doos ongekookte spaghetti op de grond gooit - omdat de noedels allemaal lang en dun zijn, ze zullen elkaar waarschijnlijk op meerdere punten kruisen. Als je iets korter en ronder op de grond gooit, zoals rijst, veel van de korrels raken elkaar helemaal niet, ’ zei Tringides.

Toen deze spaghetti-achtige materialen werden ingebed in de alginaathydrogels, ze kriskras door de gel om poreuze, geleidende paden waardoor elektriciteit kan reizen. Deze flexibele elektroden kunnen meer dan 180 graden worden gebogen en in knopen worden vastgemaakt zonder te breken, waardoor ze een perfecte partner zijn voor de visco-elastische alginaathydrogel.

Om alles op een rijtje te zetten, het team omringde hun nieuwe geleidende elektrode met een isolerende laag van een zelfherstellend siliconenpolymeer genaamd PDMS, die vervolgens werd ingeklemd tussen twee lagen van de alginaathydrogel. Het resulterende apparaat was zeer flexibel, en kan tot 10 keer zijn lengte worden uitgerekt zonder te breken of te scheuren. Toen levende hersencellen zoals astrocyten en neuronen op de apparaten werden gekweekt, de cellen vertoonden geen schade of andere negatieve effecten, wat suggereert dat het apparaat veilig kan worden gebruikt op levende weefsels.

Een alternatieve array voor veiligere operaties

Het team testte vervolgens hun nieuwe visco-elastische elektrode-array in reële omstandigheden door deze aan een muizenhart te bevestigen. Het apparaat bleef op zijn plaats op het weefsel terwijl het bewoog, en bleef intact over tienduizenden spiercontracties. De onderzoekers schalen vervolgens op, hun apparaat aan een rattenbrein vastmaken, een rattenhart, en een koeienhart, die allemaal geen schade ondervonden en geen wegglijden van het apparaat, zelfs wanneer deze meer dan 180 graden is gebogen. In tegenstelling tot, een commerciële elektrode-array bleef niet in contact met het hart van de koe wanneer deze meer dan 90 graden was gebogen.

Eindelijk, de visco-elastische elektrode-array werd met succes gebruikt om zowel zenuwen te stimuleren als elektrische activiteit in vivo vast te leggen. Toen het apparaat aan de achterpoot van een levende muis was bevestigd, de onderzoekers stimuleerden met succes verschillende spieren om samen te trekken door te variëren welke van de verschillende elektroden de stimulatie afleverden. Vervolgens bevestigden ze hun apparaat tijdens operaties aan het hart van een muis en de hersenen van een rat. De elektrische activiteit van het hart en de hersenen werden met succes geregistreerd door het apparaat, die was gebogen om zich te hechten aan moeilijk bereikbare plaatsen en de dieren tijdens het gebruik geen letsel toebracht.

"De visco-elasticiteit van dit apparaat markeert een nieuwe richting in medische apparaten, die typisch zijn ontworpen om puur elastisch te zijn, " zei corresponderende auteur Dave Mooney, doctoraat, die een Wyss Core Faculty-lid is en leider van het Immuno-Materials-platform van het Instituut. "Door de tegenovergestelde benadering te volgen, we kunnen veel nauwer communiceren met de weefsels van het lichaam, waardoor een meer functionele interface mogelijk is zonder het weefsel te beschadigen." Mooney is ook de Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering bij SEAS.

Het team blijft hun apparaten ontwikkelen, en werkt momenteel aan het valideren ervan in grotere dieren in vivo met als uiteindelijk doel ze beschikbaar te maken voor gebruik tijdens medische procedures zoals operaties voor het verwijderen van hersentumoren en het in kaart brengen van epilepsie. Ze hopen ook dat deze nieuwe technologie elektrische registratie en stimulatie mogelijk zal maken in delen van het lichaam die momenteel niet toegankelijk zijn voor in de handel verkrijgbare apparaten.

"Ik ben dol op het out-of-the-box denken dat dit team gebruikte om het probleem van halfstijve elektroden aan te pakken door de veronderstelling ter discussie te stellen dat ze van metaal en massief plastic moesten zijn gemaakt om effectief te zijn. Dit soort ontwerpdenken, probleemoplossing, en waardering voor het belang van het afstemmen van de mechanica van levende systemen is wat we proberen te cultiveren en aan te moedigen bij het Wyss Institute, en dit is een goed voorbeeld van de voordelen die als resultaat kunnen worden behaald, " zei Don Ingber, MD, doctoraat, de oprichter van het Wyss Institute.