Till skillnad från standardelektroder som är gjorda av styva metallkomponenter, hydrogelelektroden uppnår elektrisk ledning via en kombination av kolnanorör och grafenflingor inbäddade i en ultraflexibel alginathydrogel. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
Uppsättningar av metallelektroder används ofta i medicinska procedurer som kräver övervakning eller avgivande av elektriska impulser i kroppen, såsom hjärnkirurgi och epilepsikartläggning. Dock, metall- och plastmaterialen som består av dem är styva och oflexibla medan kroppens vävnader är mjuka och formbara. Denna oöverensstämmelse begränsar platserna där elektroduppsättningar framgångsrikt kan användas, och kräver också applicering av en stor mängd elektrisk ström för att "hoppa" gapet mellan en elektrod och dess mål.
Inspirerad av de unika fysiska egenskaperna hos levande mänskliga vävnader, ett team av forskare från Harvards Wyss Institute och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har skapat flexibla, metallfria elektroduppsättningar som väl anpassar sig till kroppens otaliga former, från hjärnans djupa veck till hjärtats fibrösa nerver. Denna nära omfamning gör att elektriska impulser kan registreras och stimuleras med lägre erforderliga spänningar, gör det möjligt att använda dem på svåråtkomliga områden på kroppen, och minimerar risken för skador på ömtåliga organ.
"Våra hydrogelbaserade elektroder tar vackert formen av vilken vävnad de än placeras på, och öppna dörren för att enkelt skapa mindre invasiva, personlig medicinsk utrustning, " sa första författaren Christina Tringides, en doktorand vid Wyss Institute och Harvard Biophysics Program. Prestationen redovisas i Naturens nanoteknik .
Förstaförfattaren Christina Tringides håller en modell av en hjärna med sin flexibla hydrogelelektrod fäst. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
En medicinsk apparat inspirerad av människokroppen
Ett av kännetecknen för alla levande vävnader, speciellt hjärnan och ryggmärgen, är att de är "viskoelastiska" - det vill säga, de kommer att fjädra tillbaka till sin ursprungliga form om tryck appliceras på dem och sedan släpps, men kommer att deformeras permanent till en ny form om trycket appliceras kontinuerligt. Ett vanligt exempel är öronmätning, där en större och större mätare i ett hål i örat sträcker ut hålet i örsnibben med tiden.
Tringides och hennes team insåg att alginathydrogeler, som har utvecklats vid Wyss Institute för ett antal funktioner inklusive kirurgiska lim och encellsinkapsling, är också viskoelastiska, och resonerade att de borde kunna ställa in dem för att matcha vävnadernas viskoelasticitet. Med tanke på hennes bakgrund inom neuralteknik, Tringides bestämde sig för att försöka skapa helt viskoelastiska elektroder som kunde matcha hjärnans viskoelasticitet för säkrare och effektivare neuroelektrisk övervakning. Standardelektroder är gjorda av ledande metallmatriser som finns i en tunn plastfilm, och är upp till en miljon gånger styvare än hjärnan.
En bild med svepelektronmikroskop (SEM) visar en närbild av elektrodens grafenflingor och kolnanorörskomponenter. Dessa material korsar varandra på många punkter, skapa en kontinuerlig väg för elektrisk strömflöde. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
Teamets första uppgift var att testa om deras alginathydrogeler framgångsrikt kunde anpassa sig till levande vävnader. Efter att ha experimenterat med olika typer av hydrogeler, de bestämde sig för en version som bäst matchade hjärnans och hjärtvävnadens mekaniska egenskaper. De placerade sedan sin hydrogel på en falsk "hjärna" gjord av gelatinliknande agaros, och jämförde dess prestanda med ett plastmaterial och ett elastiskt material.
Alginathydrogelen hade dubbelt så mycket kontakt med den underliggande skenhjärnan jämfört med de andra materialen, och kunde till och med ta sig ner i några av hjärnans många djupa spår. När de lämnade materialet på skenhjärnorna i två veckor, det elastiska materialet hade väsentligen flyttats från sin ursprungliga plats och sprang omedelbart tillbaka till sin ursprungliga form när det avlägsnades från den underliggande skenvävnaden. I kontrast, alginathydrogelen höll sig på plats hela tiden och behöll sin hjärnliknande form efter borttagning.
Går med strömmen
Nu när teamet hade ett material som kunde flexa och flyta runt vävnader, de var tvungna att uppfinna en elektrod som kunde göra samma sak. De allra flesta elektroder är gjorda av metall eftersom metaller är mycket elektriskt ledande – men också väldigt styva och oflexibla.
Efter många experiment och sena nätter i labbet, teamet identifierade en kombination av grafenflingor och kolnanorör som sin toppkandidat. "En del av fördelen med dessa material är deras långa och smala form. Det är lite som att kasta en låda med okokt spagetti på golvet - för nudlarna är alla långa och tunna, de kommer sannolikt att korsa varandra på flera punkter. Om du kastar något kortare och rundare på golvet, som ris, många av kornen rör inte alls, sa Tringides.
När dessa spagettiliknande material bäddades in i alginathydrogelerna, de korsade sig genom gelén för att skapa porösa, ledande banor genom vilka elektricitet kan färdas. Dessa flexibla elektroder kunde böjas mer än 180 grader och knytas till knutar utan att gå sönder, vilket gör dem till en perfekt partner för den viskoelastiska alginathydrogelen.
Hydrogelelektroden kan "flyta" för att passa kroppens många ojämna ytor och sprickor utan att skada ömtåliga vävnader. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University. Det visas här på en falsk "hjärna" gjord av gelatinös agaros. Kredit:Wyss Institute vid Harvard University
För att få ihop allt, teamet omgav sin nya ledande elektrod med ett isolerande lager av en självläkande silikonpolymer som heter PDMS, som sedan placerades mellan två lager av alginathydrogelen. Den resulterande enheten var mycket flexibel, och kunde sträckas upp till 10 gånger sin längd utan att gå sönder eller rivas. När levande hjärnceller som astrocyter och neuroner odlades på enheterna, cellerna visade inga skador eller andra negativa effekter, vilket tyder på att enheten kan användas säkert på levande vävnader.
En alternativ uppsättning för säkrare operationer
Teamet testade sedan sin nya viskoelastiska elektroduppsättning i verkliga förhållanden genom att fästa den på ett mushjärta. Enheten stannade på plats på vävnaden när den rörde sig, och förblev intakt över tiotusentals muskelsammandragningar. Forskarna skalade sedan upp, kopplar sin enhet till en råtthjärna, ett råtthjärta, och ett kohjärta, som alla inte upplevde några skador och ingen halka av enheten, även när den är böjd mer än 180 grader. I kontrast, en kommersiell elektroduppsättning förblev inte i kontakt med kohjärtat när den böjdes mer än 90 grader.
Till sist, den viskoelastiska elektroduppsättningen användes framgångsrikt för att både stimulera nerver och registrera elektrisk aktivitet in vivo. När enheten fästes på en levande muss bakben, forskarna stimulerade framgångsrikt olika muskler att dra ihop sig genom att variera vilken av flera elektroder som gav stimuleringen. De fäste sedan sin enhet till en muss hjärta och en råttas hjärna under operationer. Den elektriska aktiviteten i hjärtat och hjärnan registrerades framgångsrikt av enheten, som böjdes för att fästa på svåråtkomliga områden och orsakade ingen skada på djuren under användning.
"Viskoelasticiteten hos denna enhet markerar en ny riktning inom medicinsk utrustning, som vanligtvis är utformade för att vara rent elastiska, " sa motsvarande författare Dave Mooney, Ph.D., som är Wyss Core Faculty-medlem och ledare för institutets Immuno-Materials-plattform. "Genom att ta det motsatta tillvägagångssättet, vi kan komma i kontakt med kroppens vävnader mycket närmare, möjliggör ett mer funktionellt gränssnitt utan att skada vävnaden." Mooney är också Robert P. Pinkas familjeprofessor i bioteknik vid SEAS.
Teamet fortsätter att utveckla sina enheter, och arbetar för närvarande med att validera dem i större djur in vivo med det slutliga målet att göra dem tillgängliga för användning under medicinska procedurer såsom operation för borttagning av hjärntumör och kartläggning av epilepsi. De hoppas också att denna nya teknik kommer att möjliggöra elektrisk inspelning och stimulering i delar av kroppen som för närvarande är otillgängliga för kommersiellt tillgängliga enheter.
"Jag älskar det out-of-the-box-tänkande som detta team använde för att ta itu med problemet med halvstyva elektroder genom att utmana antagandet att de måste vara gjorda av metall och solid plast för att vara effektiva. Den här typen av designtänkande, problemlösning, och uppskattning för vikten av att matcha mekaniken i levande system är vad vi strävar efter att odla och uppmuntra på Wyss Institute, och detta är ett bra exempel på de fördelar som kan skördas som ett resultat, sade don Ingber, M.D., Ph.D., Wyss Institutes grundande direktör.