Injicerbar elektronik lover grundlæggende neurovidenskab, behandling af neurodegenerative sygdomme

Det er en forestilling, der kan hentes fra siderne af science fiction-romaner - elektroniske enheder, der kan sprøjtes direkte ind i hjernen, eller andre kropsdele, og behandle alt fra neurodegenerative lidelser til lammelser.

Det lyder usandsynligt, indtil du besøger Charles Liebers laboratorium.

Et team af internationale forskere, ledet af Lieber, Mark Hyman, Jr. professor i kemi, et internationalt team af forskere udviklede en metode til fremstilling af elektroniske stilladser i nanoskala, som kan injiceres via sprøjte. Når først tilsluttet til elektroniske enheder, stilladserne kan bruges til at overvåge neural aktivitet, stimulere væv og endda fremme regenerering af neuroner. Undersøgelsen er beskrevet i et papir den 8. juni i Natur nanoteknologi .

Bidrag til arbejdet var Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang

"Jeg føler, at dette har potentialet til at blive revolutionært, " sagde Lieber. "Dette åbner en helt ny grænse, hvor vi kan udforske grænsefladen mellem elektroniske strukturer og biologi. I de sidste tredive år, folk har foretaget trinvise forbedringer i mikrofremstillingsteknikker, der har gjort det muligt for os at gøre stive sonder mindre og mindre, men ingen har behandlet dette problem - elektronik/cellulær grænseflade - på det niveau, hvor biologi fungerer."

Tanken om at fusionere det biologiske med det elektroniske er ikke ny for Lieber.

I en tidligere undersøgelse, videnskabsmænd i Liebers laboratorium demonstrerede, at stilladserne kunne bruges til at skabe "cyborg"-væv - når hjerte- eller nerveceller blev dyrket med indlejrede stilladser. Forskere var derefter i stand til at bruge enhederne til at optage elektriske signaler genereret af vævene, og at måle ændringer i disse signaler, når de administrerede cardio- eller neurostimulerende lægemidler.

"Vi var i stand til at demonstrere, at vi kunne lave dette stillads og dyrke celler i det, men vi havde ikke rigtig en idé om, hvordan vi skulle indsætte det i allerede eksisterende væv, " sagde Lieber. "Men hvis du vil studere hjernen eller udvikle værktøjerne til at udforske hjerne-maskine-grænsefladen, du skal stikke noget ind i kroppen. Når elektronikstilladset frigøres helt fra fabrikationssubstratet, vi bemærkede, at det næsten var usynligt og meget fleksibelt som en polymer og bogstaveligt talt kunne suges ind i en glasnål eller pipette. Derfra, vi spurgte bare, ville det være muligt at levere mesh-elektronikken ved kanyleinjektion, en proces, der er fælles for levering af mange arter inden for biologi og medicin - du kan gå til lægen, og du injicerer dette, og du er koblet op."

Selvom det ikke er de første forsøg på at implantere elektronik i hjernen - dyb hjernestimulering er blevet brugt til at behandle en række lidelser i årtier - opererer de nano-fremstillede stilladser i en helt anden skala.

"Eksisterende teknikker er rå i forhold til den måde, hjernen er forbundet på, " Lieber forklarede. "Uanset om det er en siliciumsonde eller fleksible polymerer ... forårsager de betændelse i vævet, der kræver periodisk ændring af positionen eller stimuleringen. Men med vores injicerbare elektronik, det er som om det slet ikke er der. De er en million gange mere fleksible end nogen avanceret fleksibel elektronik og har subcellulære funktionsstørrelser. De er, hvad jeg kalder "neurofile" - de kan faktisk godt lide at interagere med neuroner.."

På trods af deres enorme potentiale, fremstillingen af ​​de injicerbare stilladser er overraskende let.

"That's the beauty of this - it's compatible with conventional manufacturing techniques, " Lieber said.

The process is similar to that used to etch microchips, and begins with a dissolvable layer deposited on a substrate. To create the scaffold, researchers lay out a mesh of nanowires sandwiched in layers of organic polymer. The first layer is then dissolved, leaving the flexible mesh, which can be drawn into a syringe needle and administered like any other injection.

After injection, the input/output of the mesh can be connected to standard measurement electronics so that the integrated devices can be addressed and used to stimulate or record neural activity.

"These type of things have never been done before, from both a fundamental neuroscience and medical perspective, " Lieber said. "It's really exciting - there are a lot of potential applications."

Fremadrettet, Lieber said, researchers hope to better understand how the brain and other tissues react to the injectable electronics over longer periods.

Harvard's Office of Technology Development has filed for a provisional patent on the technology and is actively seeking commercialization opportunities.

"Having those results can prove that this is really a viable technology, " Lieber said. "The idea of being able to precisely position and record from very specific areas, or even from specific neurons over an extended period of time - this could, Jeg tror, make a huge impact on neuroscience."