Nye metalfrie hydrogelelektroder bøjes, så de passer til kroppens mange former, undgå skader på organer

Arrays af metalelektroder bruges ofte i medicinske procedurer, der kræver overvågning eller levering af elektriske impulser i kroppen, såsom hjernekirurgi og epilepsikortlægning. Imidlertid, metal- og plastmaterialerne, der udgør dem, er stive og ufleksible, mens kroppens væv er blødt og formbart. Denne mismatch begrænser de steder, hvor elektrodearrays med succes kan bruges, og kræver også påføring af en stor mængde elektrisk strøm for at "springe" mellemrummet mellem en elektrode og dens mål.

Inspireret af de unikke fysiske egenskaber ved levende menneskeligt væv, et team af forskere fra Harvard's Wyss Institute og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har skabt fleksible, metalfri elektrode-arrays, der tilpasser sig til kroppens utallige former, fra hjernens dybe folder til hjertets fibrøse nerver. Denne tætte omfavnelse gør det muligt at registrere og stimulere elektriske impulser med lavere nødvendige spændinger, gør det muligt at bruge dem på svært tilgængelige områder af kroppen, og minimerer risikoen for skader på sarte organer.

"Vores hydrogel-baserede elektroder tager smukt formen af ​​det væv, de er placeret på, og åbne døren til den nemme skabelse af mindre invasive, personligt medicinsk udstyr, " sagde førsteforfatter Christina Tringides, en kandidatstuderende ved Wyss Institute og Harvard Biophysics Program. Præstationen rapporteres i Natur nanoteknologi .

Et medicinsk udstyr inspireret af den menneskelige krop

Et af kendetegnene for alt levende væv, især hjernen og rygmarven, er, at de er "viskoelastiske" - dvs. de vil springe tilbage til deres oprindelige form, hvis der påføres tryk på dem og derefter slippes, men vil deformeres permanent til en ny form, hvis der konstant påføres tryk. Et almindeligt eksempel er øremåling, hvor ved at placere en større og større måler i et gennemboret øre strækker hullet i øreflippen ud over tid.

Tringides og hendes team indså, at alginathydrogeler, som er udviklet på Wyss Institute til en række funktioner, herunder kirurgiske klæbemidler og enkeltcelleindkapsling, er også viskoelastiske, og begrundede, at de skulle være i stand til at indstille dem til at matche vævs viskoelasticitet. I betragtning af hendes baggrund i neuralteknik, Tringides besluttede at forsøge at skabe fuldt viskoelastiske elektroder, der kunne matche hjernens viskoelasticitet for sikrere og mere effektiv neuroelektrisk overvågning. Standard elektroder er lavet af metal ledende arrays indeholdt i en tynd plastfilm, og er op til en million gange stivere end hjernen.

Holdets første opgave var at teste, om deres alginathydrogeler med succes kunne tilpasse sig levende væv. Efter at have eksperimenteret med forskellige typer hydrogeler, de slog sig ned på en version, der bedst matchede hjernens og hjertevævets mekaniske egenskaber. De placerede derefter deres hydrogel på en falsk "hjerne" lavet af gelatinelignende agarose, og sammenlignede dets ydeevne med et plastmateriale og et elastisk materiale.

Alginathydrogelen havde dobbelt så meget kontakt med den underliggende falske hjerne sammenlignet med de andre materialer, og var endda i stand til at komme ned i nogle af hjernens mange dybe riller. Da de efterlod materialerne på de falske hjerner i to uger, det elastiske materiale var i det væsentlige flyttet fra dets oprindelige placering og sprang straks tilbage til sin oprindelige form, når det blev fjernet fra det underliggende falske væv. I modsætning, alginathydrogelen forblev på plads hele tiden og beholdt sin hjernelignende form efter fjernelse.

Går med strømmen

Nu hvor holdet havde et materiale, der kunne bøje og flyde rundt i væv, de skulle opfinde en elektrode, der kunne det samme. Langt de fleste elektroder er lavet af metal, fordi metaller er stærkt elektrisk ledende – men også meget stive og ufleksible.

Efter mange eksperimenter og sene nætter i laboratoriet, holdet identificerede en kombination af grafenflager og kulstofnanorør som deres topkandidat. "En del af fordelen ved disse materialer er deres lange og smalle form. Det er lidt som at smide en æske ukogt spaghetti på gulvet - for nudlerne er alle lange og tynde, de vil sandsynligvis krydse hinanden på flere punkter. Hvis du smider noget kortere og rundere på gulvet, som ris, mange af kornene rører slet ikke, sagde Tringides.

Da disse spaghetti-lignende materialer blev indlejret i alginathydrogelerne, de krydsede deres vej gennem gelen for at skabe porøse, ledende baner, hvorigennem elektricitet kan bevæge sig. Disse fleksible elektroder kunne bøjes mere end 180 grader og bindes til knuder uden at gå i stykker, hvilket gør dem til en perfekt partner til den viskoelastiske alginathydrogel.

For at samle det hele, holdet omgav deres nye ledende elektrode med et isolerende lag af en selvhelbredende silikonepolymer kaldet PDMS, som derefter blev klemt mellem to lag af alginathydrogelen. Den resulterende enhed var meget fleksibel, og kunne strækkes op til 10 gange længden uden at gå i stykker eller rives i stykker. Når levende hjerneceller såsom astrocytter og neuroner blev dyrket på enhederne, cellerne viste ingen skade eller andre negative virkninger, tyder på, at enheden sikkert kan bruges på levende væv.

Et alternativt array til sikrere operationer

Holdet testede derefter deres nye viskoelastiske elektrode-array under virkelige forhold ved at fastgøre det til et musehjerte. Enheden forblev på plads på vævet, mens den bevægede sig, og forblev intakt over titusindvis af muskelsammentrækninger. Forskerne skalerede derefter op, fastgør deres enhed til en rottehjerne, et rottehjerte, og et kohjerte, som alle ikke oplevede nogen skade og ingen skridning af enheden, selv når den er bøjet mere end 180 grader. I modsætning, et kommercielt elektrodesystem forblev ikke i kontakt med koens hjerte, når det blev bøjet mere end 90 grader.

Endelig, det viskoelastiske elektrodearray blev med succes brugt til både at stimulere nerver og registrere elektrisk aktivitet in vivo. Da enheden blev fastgjort til en levende muss bagben, forskerne stimulerede med succes forskellige muskler til at trække sig sammen ved at variere, hvilken af ​​flere elektroder der afgav stimulationen. De fastgjorde derefter deres enhed til en muses hjerte og en rottes hjerne under operationer. Den elektriske aktivitet af hjertet og hjernen blev registreret med succes af enheden, som var bøjet for at fæstne sig til svært tilgængelige områder og forårsagede ingen skade på dyrene under brug.

"Viskoelasticiteten af ​​denne enhed markerer en ny retning inden for medicinsk udstyr, som typisk er designet til at være rent elastiske, " sagde den tilsvarende forfatter Dave Mooney, Ph.D., som er Wyss Core Faculty-medlem og leder af instituttets Immuno-Materials platform. "Ved at tage den modsatte tilgang, vi kan komme i kontakt med kroppens væv meget tættere, tillader en mere funktionel grænseflade uden at beskadige vævet." Mooney er også Robert P. Pinkas familieprofessor i bioingeniør ved SEAS.

Teamet fortsætter med at udvikle deres enheder, og arbejder i øjeblikket på at validere dem i større dyr in vivo med det ultimative mål at gøre dem tilgængelige til brug under medicinske procedurer såsom fjernelse af hjernetumor og epilepsikortlægning. De håber også, at denne nye teknologi vil gøre det muligt at udføre elektrisk optagelse og stimulering i dele af kroppen, som i øjeblikket er utilgængelige for kommercielt tilgængelige enheder.

"Jeg elsker den out-of-the-box-tankegang, som dette team brugte til at løse problemet med halvstive elektroder ved at udfordre antagelsen om, at de skulle være lavet af metal og solid plast for at være effektive. Denne form for designtænkning, problemløsning, og påskønnelse af vigtigheden af ​​at matche levende systemers mekanik er det, vi stræber efter at dyrke og opmuntre på Wyss Institute, og dette er et godt eksempel på de fordele, der kan høstes som et resultat, sagde Don Ingber, M.D., Ph.D., Wyss Institutes stiftende direktør.