Klas Tybrandt, huvudforskare vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet, har utvecklat ny teknik för långsiktigt stabil neural inspelning. Den är baserad på en ny elastisk materialkomposit, som är biokompatibel och bibehåller hög elektrisk ledningsförmåga även när den sträcks till dubbla sin ursprungliga längd.

Resultatet har uppnåtts i samarbete med kollegor i Zürich och New York. Genombrottet, vilket är avgörande för många tillämpningar inom biomedicinsk teknik, beskrivs i en artikel publicerad i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Kopplingen mellan elektroniska komponenter och nervceller är avgörande inte bara för att samla information om cellsignalering, men också för att diagnostisera och behandla neurologiska störningar och sjukdomar, som epilepsi.

Det är mycket utmanande att uppnå långsiktigt stabila förbindelser som inte skadar neuroner eller vävnad, eftersom de två systemen, den mjuka och elastiska vävnaden i kroppen och de hårda och stela elektroniska komponenterna, har helt andra mekaniska egenskaper.

"Eftersom mänsklig vävnad är elastisk och rörlig, skador och inflammation uppstår i gränssnittet med stela elektroniska komponenter. Det orsakar inte bara vävnadsskador; det dämpar också neurala signaler, säger Klas Tybrandt, ledare för Soft Electronics-gruppen vid Laboratory of Organic Electronics, Linköpings universitet, Campus Norrköping.

Klas Tybrandt har utvecklat ett nytt ledande material som är lika mjukt som mänsklig vävnad och kan sträckas till dubbelt så lång. Materialet består av guldbelagda titandioxid nanotrådar, inbäddad i silikongummi. Materialet är biokompatibelt – vilket innebär att det kan vara i kontakt med kroppen utan negativa effekter – och dess ledningsförmåga förblir stabil över tiden.

"Mikrotillverkningen av mjuka elektriskt ledande kompositer innebär flera utmaningar. Vi har utvecklat en process för att tillverka små elektroder som också bevarar materialens biokompatibilitet. Processen använder väldigt lite material, och det betyder att vi kan arbeta med ett relativt dyrt material som guld, utan att kostnaden blir oöverkomlig, säger Klas Tybrandt.

Elektroderna är 50 µm stora och är placerade på ett avstånd av 200 µm från varandra. Tillverkningsproceduren gör att 32 elektroder kan placeras på en mycket liten yta. Den sista sonden, visas på bilden, har en bredd på 3,2 mm och en tjocklek på 80 µm.

De mjuka mikroelektroderna har utvecklats vid Linköpings universitet och ETH Zürich, och forskare vid New York University och Columbia University har därefter implanterat dem i hjärnan på råttor. Forskarna kunde samla in högkvalitativa neurala signaler från de fritt rörliga råttorna under 3 månader. Experimenten har varit föremål för etisk granskning, och har följt de strikta reglerna som styr djurförsök.

"När nervcellerna i hjärnan sänder signaler, det bildas en spänning som elektroderna känner av och sänder vidare genom en liten förstärkare. Vi kan också se vilka elektroder signalerna kom från, vilket innebär att vi kan uppskatta platsen i hjärnan där signalerna har sitt ursprung. Denna typ av rumslig information är viktig för framtida tillämpningar. Vi hoppas kunna se, till exempel, där signalen som orsakar ett epileptiskt anfall börjar, en förutsättning för att behandla det. Ett annat användningsområde är hjärn-maskin-gränssnitt, genom vilken framtida teknik och proteser kan styras med hjälp av neurala signaler. Det finns också många intressanta tillämpningar som involverar det perifera nervsystemet i kroppen och hur det reglerar olika organ, säger Klas Tybrandt.