Implanterbara fibrer har varit en enorm välsignelse för hjärnforskning, gör det möjligt för forskare att stimulera specifika mål i hjärnan och övervaka elektriska svar. Men liknande studier i ryggmärgens nerver, som i slutändan kan leda till behandlingar för att lindra ryggmärgsskador, har varit svårare att genomföra. Det beror på att ryggraden flexar och sträcker sig när kroppen rör sig, och den relativt stela, sköra fibrer som används idag kan skada den ömtåliga ryggmärgsvävnaden.

Nu, Forskare har utvecklat en gummiliknande fiber som kan böjas och sträckas samtidigt som den levererar båda optiska impulserna, för optoelektronisk stimulering, och elektriska anslutningar, för stimulering och övervakning. De nya fibrerna beskrivs i en artikel i tidningen Vetenskapens framsteg , av MIT doktorander Chi (Alice) Lu och Seongjun Park, Professor Polina Anikeeva, och åtta andra vid MIT, University of Washington, och Oxford University.

"Jag ville skapa ett multimodalt gränssnitt med mekaniska egenskaper som är kompatibla med vävnader, för neural stimulering och registrering, "som ett verktyg för att bättre förstå ryggmärgsfunktioner, säger Lu. Men det var viktigt för enheten att vara töjbar, eftersom "ryggmärgen inte bara böjs utan också sträcker sig under rörelse." Det självklara valet skulle vara någon form av elastomer, en gummiliknande blandning, men de flesta av dessa material är inte anpassningsbara till fiberdragningsprocessen, som förvandlar ett relativt stort materialknippe till en tråd som kan vara smalare än ett hårstrå.

Ryggmärgen "genomgår sträckningar på cirka 12 procent under normala rörelser, " säger Anikeeva, som är klassens 1942 års karriärutvecklingsprofessor vid institutionen för materialvetenskap och teknik. "Du behöver inte ens komma in i en "nedåtgående hund" [yogaposition] för att ha sådana förändringar." Så att hitta ett material som kan matcha den graden av stretchighet kan potentiellt göra stor skillnad för forskningen. "Målet var att efterlikna stretchigheten och mjukheten och flexibiliteten i ryggmärgen, " säger hon. "Du kan matcha stretchigheten med ett gummi. Men att rita gummi är svårt - de flesta smälter bara, " hon säger.

"Så småningom, vi skulle vilja kunna använda något sådant här för att bekämpa ryggmärgsskada. Men först, vi måste ha biokompatibilitet och för att kunna motstå påfrestningarna i ryggmärgen utan att orsaka några skador, " hon säger.

Teamet kombinerade en nyutvecklad transparent elastomer, som skulle kunna fungera som en vågledare för optiska signaler, och en beläggning bildad av ett nät av silver nanotrådar, producerar ett ledande skikt för de elektriska signalerna. För att bearbeta den transparenta elastomeren, materialet var inbäddat i en polymerbeklädnad som gjorde att det kunde dras till en fiber som visade sig vara mycket töjbar och flexibel, säger Lu. Beklädnaden löses bort efter ritningsprocessen.

Efter hela tillverkningsprocessen, vad som finns kvar är den transparenta fibern med elektriskt ledande, stretchiga nanotrådsbeläggningar. "Det är egentligen bara en bit gummi, men ledande, " säger Anikeeva. Fibern kan sträcka sig med minst 20 till 30 procent utan att påverka dess egenskaper, hon säger.

Fibrerna är inte bara töjbara utan också mycket flexibla. "De är så diskreta, du kan använda dem för att göra suturer och leverera ljus samtidigt, " hon säger.

"Vi är först med att utveckla något som möjliggör samtidig elektrisk inspelning och optisk stimulering i ryggmärgen på fritt rörliga möss, " säger Lu. "Så vi hoppas att vårt arbete öppnar nya vägar för neurovetenskaplig forskning." Forskare som forskar om ryggmärgsskador eller sjukdomar måste vanligtvis använda större djur i sina studier, eftersom de större nervfibrerna tål de styvare trådarna som används för stimulans och inspelning. Även om möss i allmänhet är mycket lättare att studera och tillgängliga i många genetiskt modifierade stammar, det fanns tidigare ingen teknik som gjorde att de kunde användas för den här typen av forskning, hon säger.

"Det finns många olika typer av celler i ryggmärgen, och vi vet inte hur de olika typerna reagerar på återhämtning, eller brist på återhämtning, efter en skada, " säger hon. Dessa nya fibrer, forskarna hoppas, kan hjälpa till att fylla i några av dessa tomrum.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.