หัววัดระบบประสาทแบบอ่อน: การพิมพ์โลหะเหลวที่แม่นยำบนกะโหลก

สิ่งสำคัญที่ควรรู้:

• พลวัตของระบบประสาทที่ซับซ้อน: เครือข่ายเซลล์ประสาทที่ซับซ้อนของสมองเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของร่างกายทั้งหมด โดยควบคุมทุกอย่างตั้งแต่ทักษะยนต์ไปจนถึงความจำและจิตสำนึก
• ผลกระทบของวัสดุที่ไม่ตรงกัน: โพรบประสาทแบบดั้งเดิมที่ทำจากวัสดุแข็ง เช่น ซิลิคอน อาจทำให้เกิดความไม่ตรงกันทางกลไกที่ส่วนต่อประสานของสมอง นำไปสู่ปัญหาการอักเสบและการเคลื่อนตัวที่อาจเกิดขึ้น
• ความก้าวหน้าในโพรบประสาท: นวัตกรรมล่าสุดใช้วัสดุที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่น เช่น โลหะผสมยูเทคติกแกลเลียม-อินเดียม (EGaIn) ซึ่งตรงกับคุณสมบัติเชิงกลของเนื้อเยื่อสมองอย่างใกล้ชิด ลดอาการไม่พึงประสงค์ และปรับปรุงความเสถียรของโพรบ
• ระบบที่ปรับแต่งได้และสอดคล้องกัน: เทคนิคที่ล้ำสมัยเกี่ยวข้องกับการพิมพ์ส่วนประกอบอินเทอร์เฟซของระบบประสาทโดยตรงลงบนกะโหลก ช่วยให้ปรับแต่งระบบได้สูงและเข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำและอายุการใช้งานที่ยาวนานของการตรวจติดตามระบบประสาท

สมองเป็นอวัยวะที่ซับซ้อนที่สุดในร่างกาย เป็นเครือข่ายเซลล์ประสาทที่ซับซ้อนแบบ 3 มิติที่สร้างและส่งสัญญาณเพื่อสื่อสารภายในตัวเองและส่วนอื่นๆ ของร่างกายอย่างต่อเนื่อง กิจกรรมของเส้นประสาทของสมองมีหน้าที่รับผิดชอบในการทำงานทั้งหมดในร่างกาย และในระดับมหภาคจะควบคุมการทำงานของร่างกาย จิตสำนึก และ หน่วยความจำ รูปแบบ. 

ความซับซ้อนของสมองหมายความว่าความผิดปกติเล็กๆ น้อยๆ ภายในเซลล์ประสาทอาจส่งผลกระทบร้ายแรงและใหญ่หลวง รวมถึงการนำไปสู่ความผิดปกติทางระบบประสาท เช่น โรคลมบ้าหมู โรคพาร์กินสัน โรคอัลไซเมอร์ อาการซึมเศร้า และอาการปวดเรื้อรัง ประสาท ยานสำรวจ มักใช้เพื่อตรวจสอบว่ามีคนเสี่ยงต่อความผิดปกติเหล่านี้หรือไม่ ตลอดจนติดตามกิจกรรมและการลุกลามของความผิดปกติใด ๆ ที่ได้รับการวินิจฉัยแล้ว เหล่านี้คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบฝังได้ ที่ส่งสัญญาณไอออนิกของระบบประสาทไปเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยให้กิจกรรมของเส้นประสาทภายในส่วนต่างๆ ของสมองถูกแมปได้ 

ความท้าทายของวัสดุโพรบประสาทแบบดั้งเดิม

อย่างไรก็ตาม ความท้าทายประการหนึ่งของการตรวจระบบประสาทในปัจจุบันก็คือ พวกมันใช้วัสดุที่เป็นของแข็ง เช่น โลหะหรือ ซิลิคอน- วัสดุเหล่านี้มีโมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ในช่วงหลายร้อย GPa ซึ่งสูงกว่าโมดูลัสยืดหยุ่นของสมองประมาณเจ็ดลำดับความสำคัญ สิ่งนี้นำไปสู่ความไม่ตรงกันทางกลที่โพรบสมอง อินเตอร์เฟซ ที่มักทำให้เกิดการตอบสนองการอักเสบจากเนื้อเยื่อสมองหลังการปลูกถ่าย การตอบสนองต่อการอักเสบเหล่านี้มักทำให้รากฟันเทียมเคลื่อนออกจากตำแหน่งที่ต้องการ ดังนั้นจึงไม่ได้รวบรวมข้อมูลที่จำเป็นเสมอไป และผู้ป่วยอาจรู้สึกไม่สบายได้เช่นกัน 

การใช้ยูเทคติกแกลเลียม-อินเดียม (EGaIn) ในการตรวจระบบประสาท ตามที่กล่าวไว้ในการศึกษาล่าสุด กล่าวถึงปัญหาที่สำคัญของความไม่ตรงกันทางกลโดยนำเสนอวัสดุที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่น ซึ่งช่วยลดการระคายเคืองของเนื้อเยื่อและการตอบสนองต่อการอักเสบ นวัตกรรมนี้กำลังปูทางไปสู่ระบบตรวจสอบระบบประสาทที่ปลอดภัยและสะดวกสบายยิ่งขึ้น

การใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอ่อนช่วยลดความไม่ตรงกันทางกลไกและการตอบสนองต่อการอักเสบ การศึกษาจำนวนหนึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างโพรบประสาทที่อ่อนนุ่มและปรับให้เข้ากับสภาพเดิมได้ซึ่งมีการจับคู่เชิงกลกับเนื้อเยื่อสมองได้ดีกว่าเพื่อลดการตอบสนองต่อการอักเสบ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าตัวโพรบจะมีความก้าวหน้าด้านวัสดุ แต่ก็ยังทำงานโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่และแข็งซึ่งติดตั้งอยู่ภายในตัวเครื่อง ระบบขนาดใหญ่เหล่านี้อาจทำให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วในร่างกาย และลดประสิทธิภาพของโพรบประสาทอ่อนเมื่อเวลาผ่านไป เพื่อให้ตระหนักถึงศักยภาพของโพรบระบบประสาทแบบอ่อนและเข้ากันได้ทางชีวภาพอย่างเต็มที่ พวกมันจำเป็นต้องมีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และแพลตฟอร์มที่มีลักษณะอ่อนนุ่ม สอดคล้องกัน และเข้ากันได้ทางชีวภาพด้วย 

เพื่อให้เข้าใจถึงความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในโพรบประสาทได้ชัดเจนยิ่งขึ้น รูปที่ 1 จากการศึกษาอ้างอิงแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงกระบวนการพิมพ์ที่มีความละเอียดสูงของโลหะเหลวที่ใช้ในการสร้างโพรบประสาทที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่น ตัวเลขนี้ไม่เพียงแต่แสดงรายละเอียดที่ซับซ้อนของการออกแบบโพรบเท่านั้น แต่ยังเน้นย้ำถึงความแม่นยำและความสามารถในการปรับตัวของวิธีการประดิษฐ์นี้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองความเข้ากันได้และการทำงานของโพรบภายในสภาพแวดล้อมที่ละเอียดอ่อนของสมอง

a แผนผังของระบบการพิมพ์โลหะเหลว b ภาพ SEM ของลวดลายโลหะเหลวพร้อมสเกลบาร์ที่ 500 µm (สีดำ) และ 50 µm (สีขาว) c กราฟแสดงความกว้างของเส้นเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของหัวฉีด โดยมีแถบข้อผิดพลาดบ่งชี้ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน d แผนผังแสดงความคล้ายคลึงกันระหว่างโพรบประสาทอ่อนกับเซลล์ประสาท สิ่งที่ใส่เข้าไป: แผนผังมุมมองแบบกระจาย e ภาพ SEM ของปลายโพรบที่มีสีสำหรับพาริลีน (สีเขียว) และ PtB (สีเหลือง) แถบมาตราส่วนที่ 10 µm f SEM ของ PtB บนปลายโพรบ, สเกลบาร์ที่ 500 นาโนเมตร g สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์สำหรับ EGaIn ที่มีและไม่มีการเคลือบ PtB สิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงความต้านทานที่ 1 kHz h การเปรียบเทียบโมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุ เช่น ซิลิคอน ทอง PEDOT และการเคลือบ EGaIn โดยมีข้อผิดพลาดของส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน i การตรวจสอบความต้านทานแบบเรียลไทม์ของ PtB/EGaIn ในระหว่างการตัดการเชื่อมต่อและการเชื่อมต่อใหม่ j ความต้านทานของ PtB/EGaIn ผ่านวงจรการตัดการเชื่อมต่อและการเชื่อมต่อใหม่

การผสมผสานวัสดุขั้นสูง เช่น โลหะเหลว เข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของอินเทอร์เฟซแบบนิวรัล ถือเป็นแนวทางการปฏิวัติเพื่อให้แน่ใจว่าระบบทั้งหมดยังคงนุ่มนวลและเข้ากันได้ทางชีวภาพ เทคนิคนี้ซึ่งเน้นในการวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้ ช่วยยืดอายุการใช้งานและประสิทธิผลของโพรบประสาทที่ฝังไว้ได้อย่างเหมาะสม

การดูความเข้ากันได้ของระบบเชื่อมต่อประสาททั้งหมด 

เมื่อดูความเข้ากันได้ทางชีวภาพของระบบรากฟันเทียมทั้งหมดที่ใช้ในการสร้างส่วนต่อประสานประสาทเทียม มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ย่อยจำนวนมากที่ใช้ในการรวบรวมข้อมูลดิบจากโพรบประสาทแล้วส่งสัญญาณจากรากเทียมไปยังเซิร์ฟเวอร์ภายนอกในโรงพยาบาลที่พร้อมแล้ว เพื่อการวิเคราะห์ นอกจากนี้ รูปร่างที่แบนและแข็งของแผงวงจรพิมพ์ที่เชื่อมต่อโพรบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ย่อยยังจำกัดการใช้งานโพรบประสาทในระยะยาว และเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากความไม่ตรงกันทางกลกับเนื้อเยื่อโดยรอบ 

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดได้ถือเป็นหนทางข้างหน้า เนื่องจากสามารถเลียนแบบความโค้งตามธรรมชาติของร่างกาย และไม่ก่อให้เกิดความไม่ตรงกันทางกลที่ส่งเสริมการตอบสนองต่อการอักเสบ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะแผงวงจร จำเป็นต้องได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับผู้ป่วยแต่ละราย เนื่องจากเป็นแผงวงจรที่มีส่วนต่อประสานที่ใหญ่ที่สุดกับเนื้อเยื่อโดยรอบ และมีผลกระทบที่ใหญ่ที่สุดต่อความไม่ตรงกันทางกลไกนอกเหนือจาก สอบสวนตัวเอง ระบบอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับผู้ป่วย เนื่องจากกะโหลกและสมองของแต่ละคนมีขนาดแตกต่างกัน และตำแหน่งของโพรบประสาทก็จะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับบริเวณของสมองที่กำลังวิเคราะห์ ดังนั้นจึงมีการเรียกร้องให้พัฒนาแนวทางที่สามารถตอบสนองการออกแบบที่ปรับแต่งได้ในระดับนี้ โดยขึ้นอยู่กับผู้ป่วยและขั้นตอนการรักษา 

การปรับแต่งอินเทอร์เฟซนิวรอลผ่านการพิมพ์โดยตรงบนกะโหลก ทำให้แต่ละระบบได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับกายวิภาคของผู้ป่วยโดยเฉพาะ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความสะดวกสบายของการรักษา วิธีการนี้ ซึ่งใช้ตำแหน่งที่แม่นยำและวัสดุ เช่น โลหะเหลว สามารถปรับปรุงผลลัพธ์ของผู้ป่วยได้อย่างมาก โดยการลดความเสี่ยงของความไม่ตรงกันทางกลและการตอบสนองของเนื้อเยื่อที่ตามมา

ระบบอินเทอร์เฟซประสาทใหม่ที่นำเสนอความยืดหยุ่นแบบหลายองค์ประกอบ 

ขณะนี้ นักวิจัยได้เริ่มพิมพ์โพรบประสาท แผงวงจร และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ย่อยลงบนสมองและกะโหลกโดยตรง เพื่อตอบสนองความสามารถในการปรับแต่งและความต้องการทางอิเล็กทรอนิกส์ที่นุ่มนวล ผลลัพธ์ที่ได้คือระบบอินเตอร์เฟซประสาทที่นุ่มนวลและสอดคล้องกัน ซึ่งสามารถตรวจสอบกิจกรรมของเซลล์ประสาทหน่วยเดียวได้อย่างมีเสถียรภาพในระยะยาว ส่วนประกอบของระบบอินเทอร์เฟซประสาทถูกพิมพ์โดยใช้โลหะผสมยูเทคติกแกลเลียม-อินเดียม (EGaIn; แกลเลียม 75.5%, อินเดียม 24.5% โดยน้ำหนัก) ซึ่งเป็นโลหะเหลวที่มีแกลเลียมเป็นส่วนประกอบหลัก 

โพรบประสาทอ่อนที่เป็นโลหะเหลวที่ถูกพิมพ์ออกมานั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่าเซลล์ โดยมีความยาวที่ปรับได้ และพวกมันถูกฝังอยู่ในสมอง วงจรโลหะเหลว การเชื่อมต่อระหว่างกัน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ย่อยทั้งหมดถูกพิมพ์โดยตรงบนพื้นผิวของกะโหลก ทำให้ระบบทั้งหมดสามารถบูรณาการเข้ากับร่างกายได้และมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีขึ้น ระบบวงจรที่พิมพ์ลงบนกะโหลกยังสามารถส่งสัญญาณประสาทที่วัดได้แบบไร้สายไปยังสมาร์ทโฟนอีกด้วย สัญญาณของโพรบประสาทยังได้รับการปรับปรุงด้วยการก่อตัวของคลัสเตอร์นาโนแพลทินัมบนโพรบประสาทที่ส่วนต่อประสานของโพรบของเซลล์ประสาท 

ขนาดเซลล์ย่อยของโพรบเซลล์ประสาทที่พิมพ์ออกมามีโครงสร้างและกลไกคล้ายคลึงกับเซลล์ประสาท ความยาวของโพรบสามารถควบคุมได้โดยการพิมพ์โลหะเหลวผ่านหัวฉีดแบบคาปิลลารี เพื่อให้มั่นใจว่าโพรบสามารถปรับเปลี่ยนตามความลึกและบริเวณต่างๆ ของสมองได้อย่างแม่นยำ ขึ้นอยู่กับขั้นตอนและภูมิภาคที่สนใจ โมดูลัสแบบอ่อนของโพรบเซลล์ประสาทที่พิมพ์ออกมาสามารถคืนคุณสมบัติการนำไฟฟ้ากลับคืนมาได้ภายใต้การเสียรูปอย่างรุนแรง เนื่องจากความสามารถในการรักษาตัวเองของโลหะเหลว 

การใช้โลหะเหลวในโพรบประสาทไม่เพียงแต่ช่วยให้สามารถปรับความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางระดับเซลล์ได้เท่านั้น แต่ยังแนะนำการปรับปรุงที่สำคัญในด้านการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกลของโพรบอีกด้วย ความสามารถในการปรับตัวนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถปรับโพรบได้อย่างละเอียดเพื่อกำหนดเป้าหมายพื้นที่เฉพาะของสมอง เพิ่มความแม่นยำในการติดตามระบบประสาทและกลยุทธ์การรักษา

ความก้าวหน้าในการใช้งานอินเทอร์เฟซประสาท

นักวิจัยยังได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างวงจรขนาดจิ๋วและเป็นไปตามรูปร่างบนกะโหลกของหนูที่มีชีวิต และบันทึกการทำงานของสมองแบบไร้สาย โพรบนี้ใช้สำหรับการบันทึกระบบประสาทและการทดสอบพฤติกรรมกับหนูที่เคลื่อนไหวอย่างอิสระ มีการตรวจสอบศักยภาพของสนามท้องถิ่น (LFP) และหน่วยเดี่ยวที่เพิ่มขึ้นทั่วบริเวณต่างๆ ของสมองด้วยระยะเวลาการบันทึกที่ยาวนานถึง 33 สัปดาห์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการเพื่อสร้างอินเทอร์เฟซทางประสาทที่พิมพ์ได้ ซึ่งสามารถใช้เพื่อวัดส่วนต่างๆ ของสมอง เป็นระยะเวลานานโดยไม่เสื่อมสลาย 

การบันทึกสัญญาณประสาทดำเนินการโดยใช้ทั้งสองอย่าง Wi-Fi และระบบการสื่อสารระยะใกล้ (NFC) การฝังระบบการสื่อสาร NFC ลงในหนังศีรษะทำให้ได้ผลลัพธ์เชิงบวกและการถ่ายโอนข้อมูลเพื่อการวิเคราะห์ ในทางกลับกัน วิธีการใช้ Wi-Fi ก็ไม่ประสบผลสำเร็จ เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ ไม่สามารถบูรณาการเข้ากับตัวเครื่องได้เท่ากับวิธี NFC เนื่องจากแพลตฟอร์มที่เปิดใช้งาน Wi-Fi แบบพิมพ์มีขนาดใหญ่กว่าและมีความต้องการแบตเตอรี่ที่เทอะทะ 

ประสบความสำเร็จอย่างมากในการสร้างระบบเชื่อมต่อประสาทเทียมที่สามารถพิมพ์ได้อย่างสมบูรณ์ลงบนกะโหลกโดยตรง ความท้าทายของแพลตฟอร์ม Wi-Fi เปิดความเป็นไปได้ของการวิจัยเพิ่มเติมในพื้นที่เพื่อสร้างแบตเตอรี่ที่สามารถพิมพ์ได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้ไบโอฟลูอิดเป็นอิเล็กโทรไลต์ ความสามารถในการสร้างทั้งส่วนต่อประสานประสาทแบบอ่อนและวงจรที่เป็นไปตามโครงสร้างบนเนื้อเยื่อชีวภาพแบบอ่อนยังสามารถช่วยพัฒนาทั้งในด้านประสาทวิทยาศาสตร์และไบโออิเล็กทรอนิกส์ในปีต่อ ๆ ไป 

อ้างอิง: 

ปาร์ค จู. และคณะ การบูรณาการ In-vivo ของโพรบประสาทอ่อนผ่านการพิมพ์ความละเอียดสูงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหลวบนกะโหลก การสื่อสารธรรมชาติ, 15, (2024), 1772