Weiche neuronale Sonden: Präziser Flüssigmetalldruck auf dem Schädel

Wichtige Dinge, die Sie wissen sollten:

• Komplexe neuronale Dynamik: Das komplexe Neuronennetzwerk des Gehirns ist für alle Körperfunktionen unerlässlich und steuert alles von motorischen Fähigkeiten bis hin zu Gedächtnis und Bewusstsein.
• Auswirkungen der Materialinkongruenz: Herkömmliche Nervensonden aus starren Materialien wie Silizium können zu einer mechanischen Fehlanpassung an der Gehirnschnittstelle führen, was zu möglichen Entzündungen und Verschiebungsproblemen führen kann.
• Fortschritte bei neuronalen Sonden: Jüngste Innovationen nutzen weiche, flexible Materialien wie die eutektische Gallium-Indium-Legierung (EGaIn), die den mechanischen Eigenschaften des Gehirngewebes sehr nahe kommen, wodurch Nebenwirkungen reduziert und die Sondenstabilität verbessert werden.
• Anpassbare und anpassungsfähige Systeme: Zu den modernsten Techniken gehört das direkte Drucken neuronaler Schnittstellenkomponenten auf den Schädel. Dies ermöglicht hochgradig maßgeschneiderte und biokompatible Systeme, die die Genauigkeit und Langlebigkeit der neuronalen Überwachung verbessern.

Das Gehirn ist das komplexeste Organ des Körpers. Es handelt sich um ein komplexes 3D-Netzwerk von Neuronen, die kontinuierlich Signale erzeugen und übertragen, um mit sich selbst und dem Rest des Körpers zu kommunizieren. Die neuronale Aktivität des Gehirns ist für alle Funktionen im Körper verantwortlich und steuert auf Makroebene die Körperfunktionen, das Bewusstsein und Erinnerung Formation. 

Aufgrund der Komplexität des Gehirns kann jede kleine Anomalie innerhalb der Neuronen große und drastische Folgen haben und unter anderem zu neurologischen Störungen wie Epilepsie, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit, Depressionen und chronischen Schmerzen führen. Neuronal Sonden werden häufig verwendet, um zu überprüfen, ob bei jemandem ein Risiko für diese Störungen besteht, und um die Aktivität und das Fortschreiten etwaiger Störungen nach der Diagnose zu überwachen. Diese sind implantierbare elektronische Geräte die neuronale Ionensignale in elektronische Signale umwandeln und so die Kartierung der neuronalen Aktivitäten in verschiedenen Regionen des Gehirns ermöglichen. 

Herausforderungen traditioneller neuronaler Sondenmaterialien

Eine der Herausforderungen vieler neuronaler Sonden besteht heute jedoch darin, dass sie auf festen Materialien basieren – etwa Metallen oder Metallen Silizium. Diese Materialien haben Elastizitätsmodule im Bereich von Hunderten von GPa, was etwa sieben Größenordnungen höher ist als der Elastizitätsmodul des Gehirns. Dies führt zu einer mechanischen Fehlpaarung zwischen Sonde und Gehirn Schnittstelle Dies führt nach der Implantation häufig zu entzündlichen Reaktionen des Gehirngewebes. Diese Entzündungsreaktionen führen häufig dazu, dass sich das Implantat von seiner vorgesehenen Position bewegt, sodass die erforderlichen Daten nicht immer erfasst werden und der Patient möglicherweise auch Beschwerden verspürt. 

Die Verwendung von eutektischem Gallium-Indium (EGaIn) in neuronalen Sonden, wie in jüngsten Studien diskutiert, geht das entscheidende Problem der mechanischen Fehlanpassung an, indem ein weiches, flexibles Material bereitgestellt wird, das Gewebereizungen und Entzündungsreaktionen minimiert. Diese Innovation ebnet den Weg für sicherere und komfortablere neuronale Überwachungssysteme.

Der Einsatz von Soft-Elektronik trägt dazu bei, die mechanische Fehlanpassung und die Entzündungsreaktionen zu reduzieren. Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass weiche und anpassungsfähige Nervensonden geschaffen werden können, die sich mechanisch besser an das Gehirngewebe anpassen und so Entzündungsreaktionen reduzieren. Doch trotz der Materialfortschritte bei den Sonden selbst werden sie immer noch von sperriger und starrer Elektronik betrieben, die im Körper montiert ist. Diese sperrigen Systeme können dazu führen, dass das Gerät im Körper schnell abgebaut wird und die Wirksamkeit der weichen Nervensonden mit der Zeit abnimmt. Um das Potenzial weicher und biokompatibler neuronaler Sonden voll auszuschöpfen, müssen sie von elektronischen Komponenten und einer Plattform begleitet werden, die ebenfalls weich, anpassungsfähig und biokompatibel ist. 

Um ein klareres Verständnis der technologischen Fortschritte bei neuronalen Sonden zu vermitteln, veranschaulicht Abbildung 1 aus der zitierten Studie anschaulich den hochauflösenden Druckprozess von flüssigem Metall, der zur Herstellung weicher, flexibler neuronaler Sonden verwendet wird. Diese Abbildung zeigt nicht nur die komplizierten Details des Sondendesigns, sondern unterstreicht auch die Präzision und Anpassungsfähigkeit dieser Herstellungsmethode, die für die Gewährleistung der Kompatibilität und Funktionalität der Sonden in der empfindlichen Umgebung des Gehirns von entscheidender Bedeutung sind.

a Schematische Darstellung des Flüssigmetall-Drucksystems. b REM-Bilder von Flüssigmetallmustern mit Maßstabsbalken bei 500 µm (schwarz) und 50 µm (weiß). c Diagramm, das die Linienbreiten im Verhältnis zum Düseninnendurchmesser darstellt, wobei Fehlerbalken die Standardabweichung angeben. d Schematische Darstellung der Ähnlichkeit zwischen der weichen Neuralsonde und dem Neuron. Einschub: schematische Explosionsansicht. e REM-Aufnahme der Sondenspitze eingefärbt für Parylen (grün) und PtB (gelb), Maßstabsbalken bei 10 µm. f SEM von PtB an der Sondenspitze, Maßstabsbalken bei 500 nm. g Impedanzspektroskopie für EGaIn mit und ohne PtB-Beschichtung; Der Einschub zeigt die Impedanz bei 1 kHz. h Vergleich der Elastizitätsmodule von Materialien wie Silizium-, Gold-, PEDOT- und EGaIn-Beschichtungen mit Standardabweichungsfehlern. i Echtzeit-Widerstandsüberwachung von PtB/EGaIn während der Trennung und Wiederverbindung. j Impedanz von PtB/EGaIn durch Zyklen der Trennung und Wiederverbindung.

Die Einbindung fortschrittlicher Materialien wie flüssiger Metalle in die Elektronik neuronaler Schnittstellen bietet einen revolutionären Ansatz, um sicherzustellen, dass das gesamte System weich und biokompatibel bleibt. Diese in neueren Forschungen hervorgehobene Technik optimiert die funktionelle Langlebigkeit und Wirksamkeit implantierter Nervensonden.

Betrachtung der Kompatibilität des gesamten neuronalen Schnittstellensystems 

Betrachtet man die Biokompatibilität des gesamten Implantatsystems, das zum Aufbau der neuronalen Schnittstelle verwendet wird, gibt es viele untergeordnete elektronische Komponenten, die dazu dienen, die Rohdatensignale von den neuronalen Sonden zu sammeln und sie vom Implantat an einen externen Server im Krankenhaus zu übertragen zur Analyse. Darüber hinaus schränkt die flache und starre Form der Leiterplatten, die die Sonden mit der Hilfselektronik verbinden, auch den langfristigen Einsatz neuronaler Sonden ein und verschlechtert sich mit der Zeit aufgrund der mechanischen Nichtübereinstimmung mit dem umgebenden Gewebe. 

Dehnbare Elektronik gilt als zukunftsweisend, da sie die natürliche Krümmung des Körpers nachahmen kann und keine mechanische Fehlanpassung hervorruft, die Entzündungsreaktionen fördert. Ein weiterer wichtiger Aspekt besteht jedoch darin, dass die Elektronik – insbesondere die Leiterplatte – auf den einzelnen Patienten zugeschnitten werden muss, da die Leiterplatte die größte Schnittstelle zum umgebenden Gewebe hat und den größten Einfluss auf die darüber hinausgehende mechanische Fehlanpassung hat Sonden selbst. Die elektronischen Systeme müssen auf den Patienten zugeschnitten sein, da Schädel und Gehirn bei jedem Menschen unterschiedlich groß sind und die Position der Nervensonden je nach analysierter Gehirnregion unterschiedlich sein wird. Daher besteht die Forderung, Ansätze zu entwickeln, die diesem Maß an anpassbarem Design je nach Patient und Verfahren gerecht werden. 

Durch die individuelle Anpassung neuronaler Schnittstellen durch Direktdruck auf den Schädel wird sichergestellt, dass jedes System individuell auf die Anatomie des Patienten zugeschnitten ist, was sowohl die Wirksamkeit als auch den Komfort der Behandlung erhöht. Diese Methode, die eine präzise Platzierung und Materialien wie flüssige Metalle nutzt, kann die Ergebnisse für den Patienten erheblich verbessern, indem sie das Risiko einer mechanischen Fehlanpassung und einer daraus resultierenden Gewebereaktion verringert.

Neues neuronales Schnittstellensystem, das Mehrkomponentenflexibilität bietet 

Forscher haben nun damit begonnen, die neuronalen Sonden, Leiterplatten und Hilfselektronik direkt auf das Gehirn und den Schädel zu drucken, um den Anforderungen an Anpassbarkeit und weiche Elektronik gerecht zu werden. Das Ergebnis ist ein weiches und anpassungsfähiges neuronales Schnittstellensystem, das die Einzelaktivität von Neuronen langfristig stabil überwachen kann. Die Komponenten des neuronalen Schnittstellensystems wurden unter Verwendung einer eutektischen Gallium-Indium-Legierung (EGaIn; 75.5 % Gallium, 24.5 % Indium nach Gewicht) gedruckt, einem flüssigen Metall auf Galliumbasis. 

Die gedruckten weichen neuronalen Sonden aus flüssigem Metall hatten einen subzellulären Durchmesser mit anpassbaren Längen und wurden in das Gehirn implantiert. Flüssigmetallschaltkreise, Verbindungen und Hilfselektronik wurden alle direkt auf die Oberfläche des Schädels gedruckt, was eine konforme Integration des Gesamtsystems in den Körper und eine bessere Biokompatibilität ermöglicht. Das auf den Schädel gedruckte Schaltkreissystem war zudem in der Lage, das gemessene neuronale Signal drahtlos an ein Smartphone zu übertragen. Die Signale der neuronalen Sonden wurden auch durch die Bildung von Platin-Nanoclustern auf den neuronalen Sonden an der Schnittstelle zwischen Neuron und Sonde verstärkt. 

Die subzelluläre Skala der gedruckten neuronalen Sonden ähnelte strukturell und mechanisch Neuronen. Die Länge der Sonden konnte durch das Drucken des flüssigen Metalls durch eine Kapillardüse gesteuert werden, wodurch sichergestellt wurde, dass die Sonden je nach Eingriff und interessierenden Regionen präzise an verschiedene Tiefen und Regionen des Gehirns angepasst werden konnten. Der Weichmodul der gedruckten Neuronensonden konnte aufgrund der Selbstheilungsfähigkeiten des flüssigen Metalls unter extremer Verformung ihre elektrischen Leitungseigenschaften wiederherstellen. 

Die Verwendung von flüssigem Metall in neuronalen Sonden ermöglicht nicht nur einstellbare Längen und subzelluläre Durchmesser, sondern führt auch zu einer deutlichen Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften der Sonden. Diese Anpassungsfähigkeit stellt sicher, dass die Sonden genau auf bestimmte Bereiche des Gehirns eingestellt werden können, was die Präzision neuronaler Überwachungs- und Behandlungsstrategien erhöht.

Fortschritte bei neuronalen Schnittstellenanwendungen

Die Forscher demonstrierten auch die Fähigkeit, miniaturisierte und konforme Schaltkreise am Schädel einer lebenden Maus zu bilden, und machten drahtlose neuronale Aufzeichnungen der Gehirnaktivität. Die Sonden wurden zur neuronalen Aufzeichnung und Verhaltenstests an sich frei bewegenden Mäusen verwendet. Die lokalen Feldpotentiale (LFPs) und einzelnen Spannungsspitzen in verschiedenen Regionen des Gehirns wurden über eine lange Aufzeichnungszeit von 33 Wochen untersucht – was die Anpassungsfähigkeit des Prozesses zur Schaffung druckbarer neuronaler Schnittstellen zeigt, die zur Messung verschiedener Regionen des Gehirns verwendet werden können über lange Zeiträume ohne Verschlechterung. 

Die Aufzeichnung der neuronalen Signale erfolgte mit beiden Wi-Fi und ein Nahfeldkommunikationssystem (NFC). Durch die Einbettung des NFC-Kommunikationssystems in die Kopfhaut konnten positive Ergebnisse erzielt und Daten zur Analyse übertragen werden. Andererseits war der Wi-Fi-Ansatz nicht so erfolgreich, da die Komponenten nicht so gut in den Körper integriert waren wie der NFC-Ansatz. Dies liegt daran, dass die gedruckte Wi-Fi-fähige Plattform größer war und große Anforderungen an die Batterie stellte. 

Es gab große Erfolge bei der Entwicklung vollständig druckbarer neuronaler Schnittstellensysteme direkt auf dem Schädel. Die Herausforderungen mit der Wi-Fi-Plattform eröffnen die Möglichkeit für weitere Forschung auf diesem Gebiet zur Entwicklung effizienterer druckbarer Batterien unter Verwendung von Bioflüssigkeiten als Elektrolyt. Die Fähigkeit, sowohl weiche neuronale Schnittstellen als auch konforme Schaltkreise auf weichen biologischen Geweben zu schaffen, könnte in den kommenden Jahren auch dazu beitragen, sowohl die Neurowissenschaften als auch die Bioelektronik voranzutreiben. 

Referenz: 

Park JU. et al., In-vivo-Integration weicher neuronaler Sonden durch hochauflösendes Drucken flüssiger Elektronik auf dem Schädel, Nature Communications veröffentlicht , 15, (2024), 1772.