Nanorør går med strømmen for at trænge ind i hjernevæv

Rice University-forskere har opfundet en enhed, der bruger hurtigt bevægelige væsker til at indsætte fleksible, ledende kulstof nanorørfibre ind i hjernen, hvor de kan hjælpe med at registrere neuronernes handlinger.

Rice-teamets mikrofluidikbaserede teknik lover at forbedre terapier, der er afhængige af elektroder til at registrere neuronale signaler og udløse handlinger hos patienter med epilepsi og andre tilstande.

Til sidst, sagde forskerne, nanorør-baserede elektroder kan hjælpe forskere med at opdage mekanismerne bag kognitive processer og skabe direkte grænseflader til hjernen, der vil tillade patienter at se, at høre eller kontrollere kunstige lemmer.

Enheden bruger den kraft, der påføres af hurtigt bevægende væsker, der forsigtigt fører isolerede fleksible fibre ind i hjernevæv uden at bukke. Denne leveringsmetode kan erstatte hårde skytter eller stive, biologisk nedbrydelige hylstre, der nu bruges til at levere ledninger ind i hjernen. Begge dele kan beskadige følsomt væv undervejs.

Teknologien er genstand for en artikel i American Chemical Society-tidsskriftet Nano bogstaver .

Laboratorie- og in vivo-eksperimenter viste, hvordan de mikrofluidiske enheder tvinger en viskøs væske til at strømme rundt om en tyndfiberelektrode. Den hurtigt bevægende væske trækker langsomt fiberen frem gennem en lille åbning, der fører til vævet. Når det krydser ind i vævet, test viste ledningen, selvom det er meget fleksibelt, forbliver lige.

"Elektroden er som en kogt nudel, som du forsøger at putte i en skål med Jell-O, " sagde Rice ingeniør Jacob Robinson, en af ​​tre projektledere. "I sig selv, det virker ikke. Men hvis du sætter nudlen under rindende vand, vandet trækker nudlen lige."

Tråden bevæger sig langsomt i forhold til væskens hastighed. "Det vigtige er, at vi ikke skubber på enden af ​​ledningen eller på et individuelt sted, " sagde medforfatter Caleb Kemere, en Rice el- og computeringeniør med speciale i neurovidenskab. "Vi trækker langs hele elektrodens tværsnit, og kraften er fuldstændig fordelt."

"Det er nemmere at trække ting, der er fleksible, end det er at skubbe dem, " sagde Robinson.

"Det er derfor, der trækkes tog, ikke skubbet, " sagde kemiker Matteo Pasquali, en medforfatter. "Det er derfor, du vil sætte vognen bag hesten."

Fiberen bevæger sig gennem en åbning omkring tre gange dens størrelse, men stadig lille nok til at lukke meget lidt af væsken igennem. Robinson sagde, at ingen af ​​væsken følger tråden ind i hjernevæv (eller, i eksperimenter, agarosegelen, der fungerede som en hjerne-stand-in).

Der er et lille mellemrum mellem enheden og vævet, sagde Robinson. Den lille fiberlængde i mellemrummet forbliver på kurs som et knurhår, der forbliver stift, før det vokser til et hårstrå. "Vi bruger denne meget korte, ustøttet længde for at tillade os at trænge ind i hjernen og bruge væskestrømmen på bagenden til at holde elektroden stiv, når vi flytter den ned i vævet, " han sagde.

"Når tråden er i vævet, det er i en elastisk matrix, understøttet hele vejen rundt af gelmaterialet, " sagde Pasquali, en carbon nanorørfiberpioner, hvis laboratorium lavede en specialfiber til projektet. "Det er understøttet sideværts, så ledningen kan ikke let spænde."

Carbon nanorørfibre leder elektroner i alle retninger, men at kommunikere med neuroner, de kan kun være ledende ved spidsen, sagde Kemere. "Vi tager isolering for givet. Men at belægge en nanorørstråd med noget, der vil bevare dens integritet og blokere ioner i at komme ind langs siden er ikke-trivielt, " han sagde.

Sushma Sri Pamulapati, en kandidatstuderende i Pasqualis laboratorium, udviklet en metode til at belægge en carbon nanorørfiber og stadig holde den mellem 15 og 30 mikron bred, langt under bredden af ​​et menneskehår. "Når vi kendte størrelsen af ​​fiberen, vi fremstillede enheden til at matche den, " sagde Robinson. "Det viste sig, at vi kunne lave udgangskanalen to eller tre gange diameteren af ​​elektroden uden at få en masse væske igennem."

Forskerne sagde, at deres teknologi i sidste ende kan skaleres til at levere ind i hjernen på én gang flere mikroelektroder, der er tæt pakket; dette ville gøre det mere sikkert og lettere at indlejre implantater. "Fordi vi skaber mindre skade under implantationsprocessen, vi kan muligvis sætte flere elektroder ind i en bestemt region end med andre tilgange, " sagde Robinson.