En materialforskare från Johns Hopkins och ett team av medarbetare har utvecklat en liten enhet som kan lova att återställa rörligheten för personer med förlamning i nedre extremiteter, ett tillstånd som drabbar cirka 1,4 miljoner amerikaner.
Den nya apparaten, en spinal stimulator, kan placeras under skadestället genom en enkel injektion, vilket skiljer den från konventionella stimulatorer, som är skrymmande och måste placeras längre från nerverna som styr benrörelserna.
"Konceptet bakom ryggradsstimulatorer är deras förmåga att kringgå skadade regioner och skicka viktiga motoriska kommandon från hjärnan till ryggradsregionen som ansvarar för benrörelser. Vårt innovativa tillvägagångssätt tar itu med en nyckelutmaning som många befintliga ryggradsstimulatorteknologier står inför:att uppnå exakt stimulering och minimal invasivitet", säger medlemmen Dinchang Lin, biträdande professor vid Whiting School of Engineerings institution för materialvetenskap och teknik och en kärnforskare vid Johns Hopkins Institute for NanoBioTechnology.
Teamets resultat publiceras i Nano Letters .
Konventionella ryggradsstimulatorer implanteras antingen på ryggmärgens ryggyta (mot personens rygg) eller direkt in i ryggmärgsvävnaden. Enligt Lin är ingen av strategierna idealisk:den förra äventyrar implantatets förmåga att exakt rikta in sig på viktiga nerver, och den senare orsakar inte bara skador på vävnaden under implantationsoperationer utan väcker också problem med biokompatibilitet.
Lins team identifierade först en ny plats för stimulering, den ventrolaterala epidurala ytan, som är mycket nära viktiga motorneuroner i ryggmärgen och tillgänglig utan kirurgi. Sedan designade de en nanoskala, ultraflexibel och töjbar enhet som kan sättas in via en liten injektor och en enkel sprutpump.
"Genom att tillämpa den här nya tekniken i en musmodell framkallade vi benrörelser med en elektrisk ström som är nästan två storleksordningar lägre än den som används vid traditionell ryggstimulering. Vår stimulator möjliggjorde inte bara ett bredare rörelseområde utan tillät oss också att programmera elektroden arrayens stimuleringsmönster, vilket resulterade i mer invecklade och naturliga benrörelser som påminner om att trampa, sparka och vinka, säger Lin, som ledde teamets design och val av enhetens ställningsmaterial, som skräddarsytts för att uppnå optimala mekaniska egenskaper och lång- term biokompatibilitet.
Forskarna hoppas att denna teknik - om den så småningom visar sig vara säker och effektiv för användning på människor - en dag kan hjälpa till att återställa benfunktionen hos personer med ryggmärgsskador eller neuromotoriska sjukdomar. De tror också att deras implantationsmetod med låg invasivitet skulle kunna göra den tillgänglig för fler människor.
"Denna teknik kan avsevärt förbättra kvaliteten på många patienters liv, sänka kostnaderna för personlig vård och hjälpa dem att återfå självförtroende och värdighet," sa Lin.
Teammedlemmar planerar att fortsätta arbetet med enheten med sikte på eventuella kliniska prövningar på människa.
Mer information: Dingchang Lin et al, injicerbar ventral spinalstimulator framkallar programmerbar och biomimetisk bakbensrörelse, nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01806
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Johns Hopkins University
