Nervsystemet är laddat med kodad information:tankar, känslor, Motor kontroll. Detta system i våra kroppar är en gåta, och ju mer vi kan göra för att förstå det, ju mer vi kan göra för att förbättra människors liv. Hjärna-maskin-gränssnitt ger ett sätt att ansluta till detta förbryllande organsystem, inklusive hjärnan. Men eftersom elektroniska enheter är styva, plana, och stel, de orsakar skada på hjärnans mjukvävnad.

Tills nu, det har varit extremt utmanande att utveckla ett material och tillverkningsmetod som är tillräckligt flexibel för att smälta ihop med hjärnan, men tillräckligt vidhäftande för att stanna på ett ställe. Dock, Carnegie Mellon University docent i materialvetenskap och teknik och biomedicinsk teknik Chris Bettinger och hans grupp har skapat ett hydrogelmaterial och tillverkningsprocess för elektroder som fastnar på hjärnan, matchar dess mjuka, squishy makeup.

"Tänk dig att du har en skål med Jell-O, och du sätter in en styv plastgaffel i skålen och flyttar runt den, " säger Bettinger. "Det kommer att skada Jell-O, orsakar defekter och irreversibla strukturella förändringar. Den situationen är analog med att föra in en stel elektronisk sond i mjukvävnad som någons hjärna. Det är en kombination av vad vi kallar mikrorörelse och mekanik, som arbetar tillsammans för att inte bara skada hjärnan, men även kompromissa med den implanterade sensorns funktion."

Den stela elektroden upptäcker när neuroner avfyrar och registrerar spänningarna som är associerade med dessa avfyrande neuroner. Men med tiden, kroppen tolkar detta material som en skada och en främmande kropp som måste angripas, försämrad, isolerat, och togs bort. Inflammatoriska celler omger sedan sonden, stör signalstyrkan hos neuronerna i det området.

Under de senaste tjugo åren, kiselbaserad elektronik har utvecklats från styv och plan form till krökt, flexibel, och töjbar. Styvheten hos denna elektronik har utvecklats från att vara styv som trä, till tunn och flexibel som papper, till stretchiga och böjliga som gummiband. Nu, Bettingers team tar det ett steg längre, gör dem inte bara flexibla och töjbara, men också extremt mjuk och vidhäftande.

"Om vi ​​kunde tillverka elektroniska enheter som har mekaniska egenskaper närmare 'Jell-O' snarare än trä eller plast, då kan vi i smyg koppla neurala sonder med hjärnan på ett mer godartat sätt, säger Bettinger.

Utmaningen är att de processer som används för att tillverka sofistikerad elektronik kräver höga temperaturer (400 C eller högre), ett vakuum, och exotiska lösningsmedel, buffertar, syror, och baser för att etsa material och mönster. Ingen av dessa är kompatibla med mjuka hydrogelmaterial.

För att bekämpa dessa grundläggande frågor, Bettinger och hans team skapade ett nytt sätt att tillverka elektroniken – frikopplade tillverkningsprocesserna för den elektroniska delen och det mjuka substratet den är inbäddad i. Först, de konstruerar den elektroniska delen på ett substrat som är kompatibelt med höga temperaturer, extrema lösningsmedel, och ett vakuum, och skapa hydrogelsubstratet separat. Sedan, de tar bort den elektroniska biten från dess ursprungliga substrat och fäster den på hydrogelsubstratet. Den slutliga enheten innehåller ett tunt lager av elektronik på en mjuk, flexibel, och klibbigt substrat som har mekaniska egenskaper som liknar nervsystemets.

En annan utmaning var att skapa ett material som fortfarande var vidhäftande i vätska. Om materialet inte kan fästa när det är blött, det skulle vara som att försöka ha ett plåster på när du är i poolen. För att elektroden ska fungera måste den sitta på ett ställe under en längre tid. Forskarna studerade egenskaperna hos djur som blåmusslan, som fastnar på stenar under vattnet. De tillämpade samma kemiska principer när de skapade hydrogelsubstratet.

"Istället för att behöva ta en hjärna eller en ryggmärg och sedan sticka in något i den och sedan skada den, säger Bettinger, "vi kan laminera det ovanpå och undvika skador på vävnaden."

Det faktum att noderna inte skadar vävnaden och inte rör sig gör att de kan registrera en starkare och mer exakt signal från de avfyrande neuronerna. Sonderna kunde nu användas inte bara för att spela in signaler, men också för att stimulera terapier.

Till exempel, elektroduppsättningen i sonden kan blockera signalen som framkallar inflammation hos personer med reumatoid artrit. Istället för att använda smärtstillande medel som opiater, en elektronisk terapi som stimulerar lämpliga regioner av ryggmärgen kan vara mer målinriktad och effektiv, samtidigt som man undviker risken för missbruk jämfört med läkemedelsbaserade interventioner. Elektroderna kan också användas för långtidsinspelningar, som att testa hur ett nytt läkemedel kan påverka hjärtat. En klibbig, mjuk elektrod som kan böjas och böjas kan omsluta hjärtat, registrera sina sammandragningar, och ange vilket läkemedel som kan vara mest effektivt.

"Vi försöker förbättra den tidsmässiga bandbredden för dessa sonder, genom att bevara materialets livslängd. Då kan vi skaffa mer information och upprätthålla ett lämpligt signal-brusförhållande, ", sa Bettinger. "Forskare inom flera discipliner försöker förbättra det sätt som elektroniska enheter kan samverka med nervsystemet. Vi känner att vi bidrar till denna bredare ansträngning genom att utöka materialverktygslådan för att förbättra enhetens prestanda."

Bettinger och hans grupp samarbetar med forskare inom el- och datateknik vid Carnegie Mellon och med forskare vid University of Pittsburgh. Deras resultat har publicerats i Avancerade funktionella material .