Carbon nanorørfibre skaber overlegne forbindelser til hjernen

Carbon nanorørfibre opfundet på Rice University kan give den bedste måde at kommunikere direkte med hjernen.

Fibrene har vist sig bedre end metalelektroder til dyb hjernestimulering og til at aflæse signaler fra et neuronalt netværk. Fordi de giver en tovejsforbindelse, de viser løfte om behandling af patienter med neurologiske lidelser, mens de overvåger reaktionen i realtid af neurale kredsløb i områder, der styrer bevægelse, humør og kropsfunktioner.

Nye forsøg med Rice viste, at de biokompatible fibre er ideelle kandidater til små, sikre elektroder, der interagerer med hjernens neuronsystem, ifølge forskerne. De kunne erstatte meget større elektroder, der i øjeblikket bruges i apparater til dyb hjernestimuleringsterapi hos patienter med Parkinsons sygdom.

De kan også fremme teknologier til genoprettelse af sensoriske eller motoriske funktioner og hjerne-maskine-grænseflader samt dybe hjernestimuleringsterapier til andre neurologiske lidelser, herunder dystoni og depression, forskerne skrev.

Avisen optrådte online i denne uge i American Chemical Society journal ACS Nano .

Fibrene skabt af Rice lab af kemiker og kemiingeniør Matteo Pasquali består af bundter af lange nanorør, der oprindeligt var beregnet til rumfartsapplikationer, hvor styrke, vægt og ledningsevne er altafgørende.

De enkelte nanorør måler kun få nanometer på tværs, men når millioner er samlet i en proces kaldet vådspinding, de bliver trådlignende fibre omkring en fjerdedel af bredden af ​​et menneskehår.

"Vi udviklede disse fibre som højstyrke, materialer med høj ledningsevne, "Sagde Pasquali." Alligevel, når vi havde dem i hånden, vi indså, at de havde en uventet egenskab:De er virkelig bløde, meget gerne en tråd af silke. Deres unikke kombination af styrke, ledningsevne og blødhed gør dem ideelle til at kommunikere med den menneskelige krops elektriske funktion. "

Den samtidige ankomst i 2012 af Caleb Kemere, en risassistent professor, der bragte ekspertise i dyremodeller af Parkinsons sygdom, og hovedforfatter Flavia Vitale, en forsker i Pasqualis laboratorium med grader i kemisk og biomedicinsk teknik, foranlediget undersøgelsen.

"Hjernen er dybest set buddingens konsistens og interagerer ikke godt med stive metalelektroder, "Sagde Kemere." Drømmen er at have elektroder med samme konsistens, og derfor er vi virkelig begejstrede for disse fleksible carbon nanorørfibre og deres langsigtede biokompatibilitet. "

Uger lange test på celler og derefter hos rotter med Parkinsons symptomer viste, at fibrene er stabile og lige så effektive som kommercielle platinelektroder på kun en brøkdel af størrelsen. De bløde fibre forårsagede lidt betændelse, som hjalp med at opretholde stærke elektriske forbindelser til neuroner ved at forhindre kroppens forsvar i at ardannelse og indkapsling af skadestedet.

De meget ledende carbon nanorørfibre viser også meget mere gunstig impedans-kvaliteten af ​​den elektriske forbindelse-end de nyeste metalelektroder, skaber bedre kontakt ved lavere spændinger over lange perioder, Sagde Kemere.

Fiberens arbejdsende er den udsatte spids, som er omkring bredden af ​​et neuron. Resten er indkapslet med et tre mikron lag af et fleksibelt, biokompatibel polymer med fremragende isolerende egenskaber.

Udfordringen er at placere tipsene. "Det er egentlig bare et spørgsmål om at have et hjerneatlas, og under eksperimentet justere elektroderne meget delikat og sætte dem på det rigtige sted, "sagde Kemere, hvis laboratorium studerer måder at forbinde signalbehandlingssystemer og hjernens hukommelse og kognitive centre.

Læger, der implanterer dybe hjernestimuleringsenheder, starter med en optagelsessonde, der er i stand til at "lytte" til neuroner, der udsender karakteristiske signaler afhængigt af deres funktioner, Sagde Kemere. Når en kirurg finder det rigtige sted, sonden fjernes, og stimuleringselektroden indsættes forsigtigt. Riscarbon nanorørfibre, der sender og modtager signaler, ville forenkle implantation, Sagde Vitale.

Fibrene kan føre til selvregulerende terapeutiske apparater til Parkinsons og andre patienter. Nuværende enheder omfatter et implantat, der sender elektriske signaler til hjernen for at dæmpe de rystelser, der rammer Parkinsons patienter.

"Men vores teknologi gør det muligt at optage, mens det stimulerer, "Sagde Vitale." Strømelektroder kan kun stimulere væv. De er for store til at opdage nogen pigget aktivitet, så dybest set sender de kliniske enheder kontinuerlige pulser uanset hjernens reaktion. "

Kemere forudser et lukket kredsløbssystem, der kan læse neuronale signaler og tilpasse stimuleringsterapi i realtid. Han forudser at bygge en enhed med mange elektroder, der kan adresseres individuelt for at få fin kontrol over stimulering og overvågning fra en lille, implanterbar enhed.

"Interessant nok, ledningsevne er ikke den vigtigste elektriske egenskab ved nanorørfibrene, "Pasquali sagde." Disse fibre er iboende porøse og ekstremt stabile, som begge er store fordele i forhold til metalelektroder til registrering af elektrokemiske signaler og opretholdelse af ydeevne over lange perioder. "