Шёлковый чип показал чудеса совместимости с живым мозгом
Электроды, размещённые в мозге, смогут поставлять медикам данные о месте и времени происхождения эпилептического припадка, информацию о работе нейронов в «неисправных» областях либо употребляться для управления электроникой силой мысли парализованного человека. Но для гарантии и успеха здоровья больного крайне важен дизайн таких электродов.
При внедрении контактов в мозговую ткань появляется громадная неприятность: сложная геометрия поверхности коры не разрешает вживлять вправду широкие массивы датчиков. Или такая имплантация несёт с собой через чур много повреждений, или контакт получается не сильный, а часть электродов так и вовсе не работает (участки в углублениях выясняются им недоступны).
Много было попыток создать идеал имплантата, но, возможно, самый перспективный вариант показался лишь на данный момент.
«Биосовместимость представляет собой значительную проблему для нового поколения медицинских имплантатов, – говорит Брайан Литт. – Мы желали создать ультратонкие устройства, сделанные из биосовместимых материалов, каковые смогут быть засунуты в мозг через мелкие отверстия в черепе» (фото с сайта upenn.edu).
Дабы наконец-то совместить громадную арену сбора надёжных сигналов с минимальным действием на мозг, необходимо было придумать решётку контактов, по адаптивности и «гибкости» превосходящую всё ранее виденное.
Как раз такое достижение показали Брайан Литт (Brian Litt) из медицинской школы университета Пенсильвании, Джон Роджерс (John Rogers) из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign) и последовательность их сотрудников из вторых университетов США, и Китая.
Учёным очень просто произвести проводки и тонкие контакты, скажем, из золота. При толщине в считанные микрометры они будут достаточно мягкими, дабы повторять рельеф коры. Но сперва их так как нужно как-то пристроить на место работы с высокой точностью, не смяв и не порвав узкий металл.
Логичный выход: нужна подложка, разлагаемая по окончании того, как она выполнит собственную задачу.
Таковой строительной базой для нового типа имплантата стал субстрат из фиброина натурального шёлка, забранного из кокона шёлкопряда Bombyx mori. Материал данный достаточно упругий и прочный, дабы устройством возможно было манипулировать на протяжении операции , но наряду с этим достаточно мягкий, дабы снизить риск травмы.
Поверх шёлковой подложки авторы новой разработке разместили узкую сетку из полиимида (был использован материал каптон — kapton), она помогает для электрической изоляции и для создания верного рисунка из проводящих контактов и дорожек.
Изготовление имплантата начинается с размещения каптона на обработанной стеклянной пластине (1). Сперва вырезаются дорожки, позже добавляются проводники, полимер снимается со стекла (2) и совмещается с шёлковой базой (3).
С одной из сторон решётки, содержащей 30 контактов (4), присоединяется плоский комплект проводков (5), идущих к чипу (6), занятому первичной обработкой сигналов (иллюстрации Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).
Самое занимательное началось по окончании того, как решётку поместили в тот участок мозга, работу которого нужно зафиксировать. При взаимодействии с внутренней средой организма (и при добавлении физиологического раствора) белок шёлковой базы начал растворяться.
Оставшийся свободным ажурный каркас из контактов и тонких проводков, сидящий на полимерной сетке, за счёт действия капиллярных сил начал изгибаться, совершенно верно повторяя форму коры мозга в данном месте, как будто бы термоусадочная упаковка. Сейчас он хорошо прилегал к ней, одновременно с этим не повреждая.
Кстати, варьируя предварительную обработку шёлкового материала, исследователи добились регулировки времени рассасывания базы чипа в пределах от нескольких мин. до часов. Эта регулировка обязана понадобиться при исполнении сложных операций на мозге.
Тут продемонстрированы размеры чипа, а также ширина проводящих контактов и дорожек. Толщина же их в различных экземплярах устройства составляла 2,5 и 7 микрометров. Белым стрелкой и цветом отмечена полимерная сетка, жёлтым – внедрённый в неё металл.Внизу: серия опытов с обёртыванием новой схемы около цилиндров различного диаметра (сверху вниз) при разной толщине сэндвича (слева направо).
синие надписи и Красные отмечают, соответственно, случаи, в то время, когда изгиб подложки недостаточен и в то время, когда имплантат прекрасно прилегает к цилиндру (иллюстрации Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).
Авторы работы изготовили пара вариантов собственного устройства, хорошие по толщине шёлковой базы и последовательности вторых параметров, и сравнительный аналог без шёлка. Они шепетильно замерили механические особенности образцов, проверив их сперва на моделях мозга, а после этого и на лабораторных животных. (Подробности этих опытов раскрывает статья в Nature Materials.)
Учёные продемонстрировали, что узкий шёлковый вариант снабжает хороший контакт с мозгом, одновременно с этим кроме рубцевание и раздражение живой ткани.
Решающей проверкой стала имплантация таких сэндвичей в мозг взрослых кошек. Учёные поместили электроды в зрительную кору животных. Регистрируя ток от нервных клеток при визуальной стимуляции (кошкам показывали разные картины), экспериментаторы доказали, что узкая сетка, высаженная на коре при помощи шёлковой базы, даёт самый чёткий и подробный сигнал в сравнении с классическими толстыми проволочными электродами.
«Шёлковый» его тест и чип на модели мозга, и на стеклянных трубках (фотографии Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).
Принципиально важно, что на участке имплантации не наблюдалось никакого воспаления как минимум за все 30 дней опыта. Это значит, что электроды нового дизайна, по всей видимости, возможно будет оставлять имплантированными в голову людей-больных на месяцы, быть может, и на годы, что открывает совсем новые возможности для изучений в терапии и области неврологии.
Тут, действительно, поднимается вопрос о подтягивании вторых компонентов имплантата до совместимости и такого уровня гибкости. Так, дабы не тащить множество проводников наружу, направляться снабдить контактный чип микросхемой шифровки и обработки сигнала, а ещё лучше — радиопередатчиком.
Кроме кошек авторы «шёлкового чипа» испытали разработку на мышах. На срезе (вверху слева) продемонстрирован имплантат (B) толщиной 100 микрометров, размещённый между слоями эпидермиса (A) и гиподермиса (C). Срез сделан через 4 семь дней по окончании внедрения плёнки. Никаких следов воспаления, следовательно, выбранный материал толерантен к живой ткани как минимум на данный срок, – заключают авторы опыта. Справа: решётка электродов при сильном повышении.
Внизу слева: схематический разрез чипа. светло синий цвет – шёлк, зелёный – полимер, жёлтый – золото (фото Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials; C. Conway, J. Rogers/Beckman Institute).
Создание интегрированных совокупностей для того чтобы типа требует построения по подобному принципу биосовместимых цифровых чипов, и — источников питания. И в данном направлении Роджерс, Литт и их коллеги уже движутся.
Они выстроили опытный образец чипа на шёлке, содержащего кремниевые транзисторы, и удостоверились в надежности его на лабораторных животных (действительно, ещё не на мозге). Подобно учёные пробуют создать ультратонкие аккумуляторная батареи, сводящие к минимуму действие на живую ткань.
Все эти компоненты ещё предстоит свести совместно и проверить их безопасность. Но в возможности это может привести к рождению совсем потрясающих устройств: эластичных чипов-имплантатов, каковые возможно было бы внедрять в необходимое место организма через минимальный надрез, через катетер. В чипы бы расправлялись и занимали нужную позицию, а после этого годами передавали данные о работе клеток медикам.
Our Miss Brooks: The Bookie / Stretch Is In Love Again / The Dancer
Темы которые будут Вам интересны:
-
Тетрис меняет мозг с неизвестными последствиями для интеллекта
-
Машина считала зрительный образ с мозга человека
