Новая технология вставки нанотрубок в мозг для изучения нейронных действий

Исследовательская группа из Университета Райса разработала инновационное устройство, которое использует быстро движущиеся жидкости для ввода проводящих гибких волокон углеродных нанотрубок в мозг, которые могут помочь в регистрации действий нейронов.

Быстро движущаяся жидкость вытягивает волокно через микрожидкостное устройство для введения в ткань головного мозга. Устройство, изобретенное в Университете Райса, могло бы обеспечить более мягкий метод имплантации проводов пациентам с неврологическими заболеваниями и помочь ученым исследовать когнитивные процессы и разработать имплантаты, чтобы помочь людям видеть, слышать и контролировать протезы. КРЕДИТ: Предоставлено Лабораторией Робинсона.

Метод на основе микрофлюидики, используемый исследователями Райса, надеется усилить терапию, которая зависит от электродов для определения сигналов нейронов и активирующих действий у пациентов, страдающих эпилепсией и другими такими состояниями.

По мнению команды, со временем электроды на основе нанотрубок могут помочь исследователям найти механизмы когнитивных процессов и разработать прямые интерфейсы к мозгу, которые позволят пациентам просматривать, слышать или манипулировать протезами.

Устройство использует силу, оказываемую быстродвижущимися жидкостями, тем самым плавно продвигая изолированные гибкие волокна в ткани головного мозга без необходимости изгибания. Эта методика доставки может быть пригодна для использования в качестве замены жестких, биоразлагаемых оболочек или жестких челноков, используемых в настоящее время для вставки проводов в мозг. Оба основных метода могут потенциально повредить чувствительную ткань вдоль их пути.

Технология была описана в статье, опубликованной в журнале Nano Letters Американского химического общества.

Лабораторные эксперименты и эксперименты in vivo продемонстрировали, как микрожидкостные устройства создают давление в вязкой жидкости для обтекания тонкого волоконного электрода. Быстро движущаяся жидкость постепенно вытягивает волокно вперед с помощью небольшой апертуры, ведущей к ткани. После перехода в ткань исследования показали, что проволока, несмотря на высокую гибкость, оставалась прямой.

« Электрод подобен приготовленной лапше, которую вы пытаетесь вставить в миску Jell-O », – заявил инженер Райс Джейкоб Робинсон, один из трех лидеров проекта. « Сам по себе он не работает. Но если вы положите эту лапшу под проточную воду, вода потянет лапшу прямо . »

По сравнению со скоростью жидкости провод постепенно перемещается. « Важно то, что мы не нажимаем на конец провода или в отдельном месте », – заявил Калеб Кемер, соавтор исследования и инженер-электрик Райс, специализирующийся на нейробиологии , « Мы тянем вдоль всего поперечного сечения электрода, и сила полностью распределена ».

« Легче тянуть вещи, которые гибки, чем подталкивать их – заявил Робинсон.

« Вот почему поезда тянутся, а не толкаются – заявил химик Маттео Паскуали, который также является соавтором исследования. « Вот почему вы хотите поставить телегу за лошадь ».

Волокно развивается через апертуру почти в три раза по размеру, но достаточно мала, чтобы пропускать очень меньшее количество жидкости. По словам Робинсона, жидкость не следует за проволокой в ​​ткань мозга, или, в экспериментах, агарозный гель, который функционировал как мозговой стенд.

Робинсон заявил, что между тканями и устройством существует небольшой разрыв. Волокно небольшой длины внутри зазора остается прямо подобным уксусу, который остается жестким до того, как он превратится в прядь человеческого волоса. « Мы используем эту очень короткую, неподдерживаемую длину, чтобы позволить нам проникать в мозг и использовать поток жидкости на заднем конце, чтобы поддерживать упругий электрод, когда мы перемещаем его в ткань », – заявил Робинсон.

«. Когда провод находится в ткани, он находится в эластичной матрице, поддерживаемой вокруг гелевым материалом », – заявил Паскали, пионер в углеродных нанотрубках, лаборатория которого разработала индивидуальный волокна для исследования. « Он поддерживается сбоку, поэтому проволока не может легко застегнуть ».

Согласно Кемеру, хотя волокна углеродных нанотрубок проводят электроны во всех возможных направлениях, для связи с нейронами они проводящие только на кончике. « Мы воспринимаем изоляцию как должное. Но покрытие нити нанотрубки с чем-то, что будет поддерживать ее целостность и блокировать ионы от входа в сторону, является нетривиальным », – заявил он.

Сушма Шри Памулапати, аспирант лаборатории Паскуали, разработал методику покрытия волокна углеродной нанотрубки и при этом сохраняя свою ширину между 15 и 30 мм, что намного меньше ширины пряди человеческого волоса. « Как только мы узнали размер волокна, мы скомпилировали устройство, чтобы он соответствовал ему – заявил Робинсон. « Оказалось, что мы могли бы сделать выходной канал в два-три раза больше диаметра электрода, не имея большого количества жидкости, проходящей через ».

По словам команды, их техника может быть развита далее для доставки нескольких, плотно упакованных микроэлектродов в мозг за один случай времени, что облегчает и безопаснее внедрять имплантаты. « Поскольку мы создаем меньше повреждений во время процесса имплантации, мы могли бы добавить больше электродов в конкретный регион, чем с другими подходами », – заявил Робинсон

Ведущими авторами статьи являются Флавия Витале, выпускница Райса, которая в настоящее время является преподавателем в Университете Пенсильвании; и Даниэль Веркоса, студент-выпускник риса. Постдокторант Александр Родригес; Аспиранты Эрик Льюис, Стивен Янь и Кришна Бадхивала и выпускник Мохаммед Аднан из Райса; постдокторский исследователь Фредерик Сейбт и Майкл Бейерлейн, адъюнкт-профессор нейробиологии и анатомии в Медицинской школе МакГоверна в Медицинском научном центре Университета Техаса в Хьюстоне; и Джанни Ройер-Карфагни, профессор структурной механики в Университете Пармы, Италия, являются соавторами исследования.

Робинсон и Кемер – доценты по электротехнике и вычислительной технике и адъюнкт-профессора в Медицинском колледже Бейлора. Паскуали – профессор химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии, химии и кафедры химии химии Райса.

Агентство перспективных исследовательских проектов обороны, Фонд Уэлша, Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС, Американская кардиологическая ассоциация, Национальные институты здравоохранения, Граждане, объединенные для исследований в области эпилепсии, принимая премию полета, и Фонд Дан Л. Дункан поддержал исследование.

Source link