Par kolnanorörsfibrer har testats för potentiell användning som implanterbara elektroder för att behandla patienter med neurologiska störningar som Parkinsons sjukdom. Fibrerna som uppfanns vid Rice University visade sig vara mycket bättre än metalltrådar som nu används för att stimulera neuroner i hjärnan. Upphovsman:Pasquali Lab/Rice University
Kolfiberrörsfibrer som uppfanns vid Rice University kan vara det bästa sättet att kommunicera direkt med hjärnan.
Fibrerna har visat sig vara bättre än metallelektroder för djup hjärnstimulering och för att läsa signaler från ett neuronalt nätverk. Eftersom de ger en tvåvägsanslutning, de visar löfte för att behandla patienter med neurologiska störningar samtidigt som de övervakar realtidsresponsen från neurala kretsar i områden som styr rörelse, humör och kroppsfunktioner.
Nya experiment på Rice visade att de biokompatibla fibrerna är idealiska kandidater för små, säkra elektroder som interagerar med hjärnans nervsystem, enligt forskarna. De kan ersätta mycket större elektroder som för närvarande används i apparater för djup hjärnstimuleringsterapi hos patienter med Parkinsons sjukdom.
De kan också avancera teknik för att återställa sensoriska eller motoriska funktioner och hjärn-maskin-gränssnitt samt djupa hjärnstimuleringsterapier för andra neurologiska störningar, inklusive dystoni och depression, forskarna skrev.
Tidningen dök upp online i veckan i American Chemical Society journal ACS Nano .
Fibrerna som skapades av Rice lab av kemisten och kemiingenjören Matteo Pasquali består av buntar med långa nanorör som ursprungligen var avsedda för rymdapplikationer där styrka, vikt och konduktivitet är av största vikt.
De enskilda nanorören mäter bara några nanometer över, men när miljoner samlas i en process som kallas våtspinning, de blir trådliknande fibrer ungefär en fjärdedel bredden av ett människohår.
"Vi utvecklade dessa fibrer som höghållfasta, material med hög konduktivitet, "Sade Pasquali." Ändå, när vi hade dem i handen, vi insåg att de hade en oväntad egenskap:De är riktigt mjuka, ungefär som en tråd av siden. Deras unika kombination av styrka, konduktivitet och mjukhet gör dem idealiska för att koppla samman den elektriska funktionen hos människokroppen. "
Den samtidiga ankomsten 2012 av Caleb Kemere, en biträdande professor i ris som kom med expertis inom djurmodeller av Parkinsons sjukdom, och huvudförfattaren Flavia Vitale, en forskare i Pasqualis laboratorium med examen i kemisk och biomedicinsk teknik, föranledde utredningen.
"Hjärnan är i grunden puddingens konsistens och interagerar inte bra med stela metallelektroder, "Kemere sa." Drömmen är att ha elektroder med samma konsistens, och det är därför vi är väldigt glada över dessa flexibla kolnanorörsfibrer och deras långsiktiga biokompatibilitet. "
Veckolånga tester på celler och sedan på råttor med Parkinsons symptom visade att fibrerna är stabila och lika effektiva som kommersiella platinaelektroder vid bara en bråkdel av storleken. De mjuka fibrerna orsakade liten inflammation, vilket hjälpte till att upprätthålla starka elektriska anslutningar till neuroner genom att förhindra att kroppens försvar från ärrbildning och inkapslar platsen för skadan.
De mycket ledande kolnanorörsfibrerna visar också mycket mer gynnsam impedans-kvaliteten på den elektriska anslutningen-än toppmoderna metallelektroder, ger bättre kontakt vid lägre spänningar under långa perioder, Sa Kemere.
Fiberns arbetsände är den exponerade spetsen, som är ungefär bredden på en neuron. Resten är innesluten med ett tre mikron lager av ett flexibelt, biokompatibel polymer med utmärkta isolerande egenskaper.
Flavia Vitale, en postdoktor vid Rice, förbereder kolnanorörsfibrer för testning. Vitale är huvudförfattare till en ny studie som fastställde att trådliknande fibrer gjorda av miljontals kolnanorör kan vara lämpliga som elektroder för att stimulera hjärnan hos patienter med neurologiska sjukdomar. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Utmaningen ligger i att placera tipsen. "Det handlar egentligen bara om att ha en hjärnatlas, och under experimentet justera elektroderna mycket fint och sätta dem på rätt plats, "sa Kemere, vars lab studerar sätt att ansluta signalbehandlingssystem och hjärnans minne och kognitiva centra.
Läkare som implanterar djupa hjärnstimuleringsanordningar börjar med en inspelningssond som kan "lyssna" på neuroner som avger karakteristiska signaler beroende på deras funktioner, Sa Kemere. När en kirurg hittat rätt plats, sonden avlägsnas och stimuleringselektroden försätts försiktigt in. Riskol nanorörsfibrer som skickar och tar emot signaler skulle förenkla implantation, Sa Vitale.
Fibrerna kan leda till självreglerande terapeutiska anordningar för Parkinsons och andra patienter. Nuvarande enheter inkluderar ett implantat som skickar elektriska signaler till hjärnan för att lugna skakningarna som drabbar Parkinsons patienter.
"Men vår teknik gör det möjligt att spela in samtidigt som den stimulerar, "Sa Vitale." Nuvarande elektroder kan bara stimulera vävnad. De är för stora för att upptäcka någon spikaktivitet, så i princip skickar de kliniska enheterna kontinuerliga pulser oavsett hjärnans svar. "
Kemere förutser ett slutet system som kan läsa neuronala signaler och anpassa stimuleringsterapi i realtid. Han räknar med att bygga en enhet med många elektroder som kan adresseras individuellt för att få fin kontroll över stimulering och övervakning från en liten, implanterbar enhet.
"Intressant, konduktivitet är inte den viktigaste elektriska egenskapen för nanorörsfibrerna, "Pasquali sa." Dessa fibrer är i sig porösa och extremt stabila, som båda är stora fördelar jämfört med metallelektroder för att avkänna elektrokemiska signaler och bibehålla prestanda under långa perioder. "
