Belangrijke dingen om te weten:
- Complexe neurale dynamiek: Het ingewikkelde netwerk van neuronen in de hersenen is essentieel voor alle lichaamsfuncties en regelt alles, van motorische vaardigheden tot geheugen en bewustzijn.
- Impact van materiële mismatch: Traditionele neurale sondes gemaakt van stijve materialen zoals silicium kunnen een mechanische mismatch op het herseninterface veroorzaken, wat kan leiden tot mogelijke ontstekings- en verplaatsingsproblemen.
- Vooruitgang in neurale sondes: Recente innovaties maken gebruik van zachte, flexibele materialen zoals eutectische gallium-indiumlegering (EGaIn), die nauw aansluiten bij de mechanische eigenschappen van hersenweefsel, waardoor bijwerkingen worden verminderd en de stabiliteit van de sonde wordt verbeterd.
- Aanpasbare en aanpasbare systemen: Baanbrekende technieken omvatten het rechtstreeks printen van neurale interfacecomponenten op de schedel, waardoor zeer aangepaste en biocompatibele systemen mogelijk zijn die de nauwkeurigheid en levensduur van neurale monitoring verbeteren.
De hersenen zijn het meest complexe orgaan in het lichaam. Het is een complex 3D-netwerk van neuronen dat voortdurend signalen genereert en verzendt om met zichzelf en de rest van het lichaam te communiceren. De neuronale activiteit van de hersenen is verantwoordelijk voor alle functies in het lichaam en regelt op macroniveau de functie, het bewustzijn en het bewustzijn van het lichaam. geheugen vorming.
De complexiteit van de hersenen betekent dat elke kleine afwijking in de neuronen grote en drastische gevolgen kan hebben, waaronder neurologische aandoeningen zoals epilepsie, de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, depressie en chronische pijn. Neuraal probes worden vaak gebruikt om te controleren of iemand risico loopt op deze stoornissen, en om de activiteit en progressie van eventuele stoornissen te volgen zodra ze zijn gediagnosticeerd. Dit zijn implanteerbare elektronische apparaten die neurale ionische signalen omzetten in elektronische signalen, waardoor de neuronale activiteiten binnen verschillende delen van de hersenen in kaart kunnen worden gebracht.
Uitdagingen van traditionele neurale sondematerialen
Een van de uitdagingen van veel neurale sondes vandaag de dag is echter dat ze gebaseerd zijn op vaste materialen, zoals metalen silicium. Deze materialen hebben elastische moduli in de regio van honderden GPa, wat ongeveer zeven ordes van grootte hoger is dan de elastische modulus van de hersenen. Dit leidt tot een mechanische mismatch in de sonde-hersenen interface dat na implantatie vaak ontstekingsreacties van het hersenweefsel veroorzaakt. Deze ontstekingsreacties zorgen er vaak voor dat het implantaat zich verplaatst van de beoogde locatie, waardoor de vereiste gegevens niet altijd worden vastgelegd en de patiënt ook ongemak kan ervaren.
Het gebruik van eutectisch gallium-indium (EGaIn) in neurale sondes, zoals besproken in recente onderzoeken, pakt het cruciale probleem van mechanische mismatch aan door een zacht, flexibel materiaal aan te bieden dat weefselirritatie en ontstekingsreacties minimaliseert. Deze innovatie maakt de weg vrij voor veiligere en comfortabelere neurale monitoringsystemen.
Het gebruik van zachte elektronica helpt de mechanische mismatch en de ontstekingsreacties te verminderen. Een aantal onderzoeken hebben aangetoond dat er zachte en aanpasbare neurale sondes kunnen worden gemaakt die een betere mechanische match hebben met het hersenweefsel om ontstekingsreacties te verminderen. Ondanks de materiële vooruitgang in de sondes zelf, worden ze echter nog steeds bediend door omvangrijke en stijve elektronica die in het lichaam is gemonteerd. Deze omvangrijke systemen kunnen ervoor zorgen dat het apparaat snel in het lichaam wordt afgebroken en dat de effectiviteit van de zachte neurale sondes na verloop van tijd afneemt. Om het potentieel van zachte en biocompatibele neurale sondes volledig te realiseren, moeten ze vergezeld gaan van elektronische componenten en een platform dat ook zacht, aanpasbaar en biocompatibel van aard is.
Om een beter inzicht te geven in de technologische vooruitgang op het gebied van neurale sondes, illustreert figuur 1 uit het genoemde onderzoek op levendige wijze het hoge-resolutie printproces van vloeibaar metaal dat wordt gebruikt om zachte, flexibele neurale sondes te creëren. Deze figuur toont niet alleen de ingewikkelde details van de sondeontwerpen, maar benadrukt ook de precisie en het aanpassingsvermogen van deze fabricagemethode, die cruciaal zijn voor het garanderen van de compatibiliteit en functionaliteit van de sondes in de delicate omgeving van de hersenen.
a Schematische weergave van het printsysteem voor vloeibaar metaal. b SEM-afbeeldingen van patronen van vloeibaar metaal met schaalbalken op 500 µm (zwart) en 50 µm (wit). c Grafiek die de lijnbreedtes versus de binnendiameter van het mondstuk weergeeft, waarbij foutbalken de standaardafwijking aangeven. d Schematische weergave van de gelijkenis tussen de zachte neurale sonde en het neuron. Inzet: schematische exploded view. e SEM-afbeelding van de sondepunt gekleurd voor parylene (groen) en PtB (geel), schaalbalk op 10 µm. f SEM van PtB op de probetip, schaalbalk bij 500 nm. g Impedantiespectroscopie voor EGaIn met en zonder PtB-coating; inzet toont impedantie bij 1 kHz. h Vergelijking van elastische moduli van materialen zoals silicium-, goud-, PEDOT- en EGaIn-coatings, met standaardafwijkingsfouten. i Real-time weerstandsbewaking van PtB/EGaIn tijdens ontkoppelen en opnieuw verbinden. j Impedantie van PtB/EGaIn door cycli van ontkoppeling en herverbinding.
Het opnemen van geavanceerde materialen zoals vloeibare metalen in de elektronica van neurale interfaces biedt een revolutionaire aanpak om ervoor te zorgen dat het hele systeem zacht en biocompatibel blijft. Deze techniek, benadrukt in recent onderzoek, optimaliseert de functionele levensduur en effectiviteit van geïmplanteerde neurale sondes.
Kijken naar de compatibiliteit van het hele neurale interfacesysteem
Als we kijken naar de biocompatibiliteit van het gehele implantaatsysteem dat wordt gebruikt om de neurale interface te bouwen, zijn er veel aanvullende elektronische componenten die worden gebruikt voor het verzamelen van de ruwe datasignalen van de neurale sondes en deze van het implantaat naar een externe server in het ziekenhuis te verzenden. voor analyse. Bovendien beperkt de platte en stijve vorm van de printplaten die de sondes verbinden met de secundaire elektronica ook het langdurig gebruik van neurale sondes en verslechtert deze na verloop van tijd als gevolg van de mechanische mismatch met het omringende weefsel.
Rekbare elektronica wordt gezien als de weg vooruit, omdat ze de natuurlijke kromming van het lichaam kunnen nabootsen en geen mechanische mismatch kunnen veroorzaken die ontstekingsreacties bevordert. Een ander belangrijk aspect is echter dat de elektronica – vooral de printplaat – moet worden afgestemd op de individuele patiënt, omdat de printplaat de grootste interface heeft met het omringende weefsel en de grootste invloed heeft op de mechanische mismatch buiten de peilt zichzelf. De elektronische systemen moeten worden afgestemd op de patiënt, omdat de schedel en hersenen van elke persoon verschillende afmetingen hebben, en de locatie van de neurale sondes zal verschillen, afhankelijk van welk deel van de hersenen wordt geanalyseerd. Er is dus een oproep om benaderingen te ontwikkelen die aan dit niveau van aanpasbaar ontwerp kunnen voldoen, afhankelijk van de patiënt en de procedure.
Door de neurale interfaces aan te passen door rechtstreeks op de schedel te printen, wordt elk systeem op unieke wijze afgestemd op de anatomie van de patiënt, waardoor zowel de werkzaamheid als het comfort van de behandeling wordt vergroot. Deze methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van nauwkeurige plaatsing en materialen zoals vloeibare metalen, kan de patiëntresultaten aanzienlijk verbeteren door het risico op mechanische mismatch en de daaropvolgende weefselreactie te verminderen.
Nieuw neuraal interfacesysteem dat flexibiliteit met meerdere componenten biedt
Onderzoekers zijn er nu toe overgegaan om de neurale sondes, printplaten en aanvullende elektronica rechtstreeks op de hersenen en de schedel te printen in een poging om aan de eisen van aanpasbaarheid en zachte elektronica te voldoen. Het resultaat is een zacht en aanpasbaar neuraal interfacesysteem dat de activiteiten van neuronen uit één eenheid met stabiliteit op de lange termijn kan volgen. De componenten van het neurale interfacesysteem zijn geprint met behulp van een eutectische gallium-indiumlegering (EGaIn; 75.5% gallium, 24.5% indium op gewichtsbasis), een vloeibaar metaal op galliumbasis.
De zachte neurale sondes van vloeibaar metaal die werden geprint, hadden een diameter op subcellulaire schaal, met aanpasbare lengtes, en werden in de hersenen geïmplanteerd. Schakelingen van vloeibaar metaal, onderlinge verbindingen en aanvullende elektronica werden allemaal rechtstreeks op het oppervlak van de schedel gedrukt, waardoor het volledige systeem een conforme integratie met het lichaam en een betere biocompatibiliteit kreeg. Het circuitsysteem dat op de schedel was gedrukt, kon het gemeten neurale signaal ook draadloos naar een smartphone verzenden. De signalen van de neurale sondes werden ook versterkt door de vorming van platina nanoclusters op de neurale sondes op het grensvlak tussen neuron en sonde.
De subcellulaire schaal van de afgedrukte neuronale sondes was structureel en mechanisch vergelijkbaar met neuronen. De lengtes van de sondes kunnen worden geregeld door het printen van het vloeibare metaal door een capillair mondstuk, waardoor wordt verzekerd dat de sondes nauwkeurig kunnen worden aangepast aan verschillende diepten en hersengebieden, afhankelijk van de procedure en de interessegebieden. De zachte modulus van de gedrukte neuronensondes kon hun elektrische geleidingseigenschappen herstellen onder extreme vervorming als gevolg van het zelfherstellende vermogen van het vloeibare metaal.
De toepassing van vloeibaar metaal in neurale sondes maakt niet alleen verstelbare lengtes en diameters op subcellulaire schaal mogelijk, maar introduceert ook een aanzienlijke verbetering in de elektrische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen van de sondes. Dit aanpassingsvermogen zorgt ervoor dat de sondes nauwkeurig kunnen worden aangepast om zich op specifieke delen van de hersenen te richten, waardoor de precisie van neurale monitoring en behandelingsstrategieën wordt verbeterd.
Vooruitgang in neurale interfacetoepassingen
De onderzoekers demonstreerden ook het vermogen om geminiaturiseerde en conforme circuits te vormen op de schedel van een levende muis en maakten draadloze neurale opnames van de hersenactiviteit. De sondes werden gebruikt voor neurale registratie en gedragstesten op vrij bewegende muizen. De lokale veldpotentialen (LFP's) en pieken van afzonderlijke eenheden in verschillende delen van de hersenen werden onderzocht gedurende een lange opnametijd van 33 weken, wat het aanpassingsvermogen van het proces aantoont om afdrukbare neurale interfaces te creëren die kunnen worden gebruikt om verschillende delen van de hersenen te meten over lange perioden zonder degradatie.
De registratie van de neurale signalen werd met beide uitgevoerd Wi-Fi en een Near Field Communication-systeem (NFC). Het inbedden van het NFC-communicatiesysteem in de hoofdhuid zorgde voor positieve resultaten en de overdracht van gegevens voor analyse. Aan de andere kant was de Wi-Fi-aanpak niet zo succesvol omdat de componenten niet zo geïntegreerd waren in het lichaam als de NFC-aanpak. Dit komt omdat het gedrukte, voor Wi-Fi geschikte platform groter was en grote batterijvereisten had.
Er is veel succes geboekt bij het creëren van volledig afdrukbare neurale interfacesystemen rechtstreeks op de schedel. De uitdagingen met het Wi-Fi-platform openen de mogelijkheid voor verder onderzoek op dit gebied naar het creëren van efficiëntere printbare batterijen met behulp van biovloeistoffen als elektrolyt. Het vermogen om zowel zachte neurale interfaces als conforme circuits op zachte biologische weefsels te creëren, zou de komende jaren zowel de neurowetenschappen als de bio-elektronische velden kunnen helpen bevorderen.
Referentie:
Parkeer JU. et al., In vivo integratie van zachte neurale sondes door middel van hoge resolutie printen van vloeibare elektronica op de schedel, Nature Communications, 15, (2024), 1772.