Snabbrörlig vätska drar en fiber genom en mikrofluidisk enhet för att föras in i hjärnvävnaden. Enheten som uppfanns vid Rice University kan ge en skonsammare metod att implantera ledningar i patienter med neurologiska sjukdomar och hjälpa forskare att utforska kognitiva processer och utveckla implantat för att hjälpa människor att se, att höra och kontrollera konstgjorda lemmar. Kredit:Robinson Lab
Rice University forskare har uppfunnit en enhet som använder snabbrörliga vätskor för att infoga flexibla, ledande kolnanorörsfibrer in i hjärnan, där de kan hjälpa till att registrera neuronernas handlingar.
Rice-teamets mikrofluidikbaserade teknik lovar att förbättra terapier som är beroende av elektroder för att känna av neuronala signaler och utlösa åtgärder hos patienter med epilepsi och andra tillstånd.
Så småningom, forskarna sa, nanorörsbaserade elektroder kan hjälpa forskare att upptäcka mekanismerna bakom kognitiva processer och skapa direkta gränssnitt till hjärnan som gör att patienter kan se, att höra eller kontrollera konstgjorda lemmar.
Enheten använder kraften som appliceras av vätskor som rör sig snabbt och som försiktigt för isolerade flexibla fibrer in i hjärnvävnad utan att böja. Denna leveransmetod kan ersätta hårda skyttlar eller stela, biologiskt nedbrytbara höljen som används nu för att leverera ledningar till hjärnan. Båda kan skada känslig vävnad på vägen.
Tekniken är föremål för en uppsats i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .
Lab- och in vivo -experiment visade hur mikrofluidiska enheter tvingar en viskös vätska att flöda runt en tunnfiberelektrod. Den snabbrörliga vätskan drar långsamt fibern framåt genom en liten öppning som leder till vävnaden. När den väl passerar in i vävnaden, tester visade tråden, även om det är mycket flexibelt, förblir rak.
"Elektroden är som en kokt nudel som du försöker lägga i en skål med Jell-O, " sa risingenjören Jacob Robinson, en av tre projektledare. "Av sig själv, det fungerar inte. Men om du lägger nudeln under rinnande vatten, vattnet drar nudeln rakt."
Tråden rör sig långsamt i förhållande till vätskans hastighet. "Det viktiga är att vi inte trycker på änden av tråden eller på en enskild plats, " sa medförfattaren Caleb Kemere, en Rice-elektro- och dataingenjör som är specialiserad på neurovetenskap. "Vi drar längs hela elektrodens tvärsnitt och kraften är helt fördelad."
"Det är lättare att dra saker som är flexibla än att trycka på dem, sa Robinson.
"Det är därför tåg dras, inte tryckt, " sa kemisten Matteo Pasquali, en medförfattare. "Det är därför man vill sätta vagnen bakom hästen."
Fibern rör sig genom en öppning ungefär tre gånger sin storlek men fortfarande tillräckligt liten för att släppa igenom mycket lite av vätskan. Robinson sa att ingen av vätskan följer tråden in i hjärnvävnaden (eller, i experiment, agarosgelen som fungerade som en hjärna stand-in).
Forskare från Rice University har utvecklat en metod som använder mikrofluidik för att implantera konduktiva, tunn, flexibla fibrer in i hjärnvävnaden. Implanterade ledningar kan hjälpa patienter med neurologiska sjukdomar och hjälpa forskare att utforska kognitiva processer och utveckla implantat för att hjälpa människor att se, att höra och kontrollera konstgjorda lemmar. Kredit:Robinson Lab
Det finns ett litet mellanrum mellan enheten och vävnaden, Sa Robinson. Den lilla fiberlängden i springan håller sig på kurs som ett morrhår som förblir styvt innan det växer till ett hårstrå. "Vi använder denna mycket korta, otillräcklig längd så att vi kan tränga in i hjärnan och använda vätskeflödet på bakänden för att hålla elektroden stel när vi flyttar den ner i vävnaden, " han sa.
"När tråden är i vävnaden, det är i en elastisk matris, stöds runt om av gelmaterialet, sa Pasquali, en pionjär i kolnanorörsfiber vars labb gjorde en anpassad fiber för projektet. "Det stöds i sidled, så att tråden inte lätt kan spännas. "
Kolnanorörsfibrer leder elektroner i alla riktningar, men för att kommunicera med neuroner, de kan endast vara ledande i spetsen, sa Kemere. "Vi tar isolering för givet. Men att belägga en nanorörstråd med något som kommer att behålla dess integritet och hindra joner från att komma in längs sidan är otrevligt, " han sa.
Sushma Sri Pamulapati, en doktorand i Pasqualis labb, utvecklat en metod för att belägga en kolnanorörsfiber och fortfarande hålla den mellan 15 och 30 mikron bred, långt under bredden av ett människohår. "När vi väl visste storleken på fibern, vi tillverkade enheten för att matcha den, "Sa Robinson. "Det visade sig att vi kunde göra utgångskanalen två eller tre gånger diametern på elektroden utan att ha mycket vätska att komma igenom."
Forskarna sa att deras teknologi så småningom kan skalas för att leverera in i hjärnan på en gång flera mikroelektroder som är tätt packade; detta skulle göra det säkrare och lättare att bädda in implantat. "Eftersom vi skapar mindre skada under implantationsprocessen, vi kanske kan sätta in fler elektroder i en viss region än med andra metoder, sa Robinson.
