Методика, основанная на микрофлюидике команды Райса, обещает улучшить методы лечения, которые полагаются на электроды, чтобы воспринимать нейронные сигналы и запускать действия у пациентов с эпилепсией и другими состояниями.В конечном итоге, по словам исследователей, электроды на основе нанотрубок могут помочь ученым обнаружить механизмы, лежащие в основе когнитивных процессов, и создать прямые интерфейсы с мозгом, которые позволят пациентам видеть, слышать или управлять протезами.Устройство использует силу, прилагаемую быстро движущимися жидкостями, которые мягко продвигают изолированные гибкие волокна в ткани мозга без искривления. Этот метод доставки может заменить жесткие челноки или жесткие биоразлагаемые оболочки, используемые сейчас для доставки проводов в мозг.
Оба могут повредить чувствительную ткань на своем пути.Технология является предметом статьи в журнале Nano Letters Американского химического общества.
Лабораторные и in vivo эксперименты показали, как микрофлюидные устройства заставляют вязкую жидкость течь вокруг тонкого волоконного электрода. Быстро движущаяся жидкость медленно протягивает волокно вперед через небольшое отверстие, ведущее к ткани. Тесты показали, что после проникновения в ткань провод, хотя и очень гибкий, остается прямым.
«Электрод похож на вареную лапшу, которую вы пытаетесь положить в миску с желе», — сказал инженер Rice Джейкоб Робинсон, один из трех руководителей проекта. «Само по себе это не работает. Но если вы поместите эту лапшу под проточную воду, вода вытянет лапшу прямо».Проволока движется медленно относительно скорости жидкости. «Важно то, что мы не нажимаем на конец провода или в отдельном месте», — сказал соавтор Калеб Кемере, инженер-электрик и компьютерщик Райс, специализирующийся на нейробиологии. «Мы тянем по всему поперечному сечению электрода, и сила полностью распределяется».«Легче тянуть гибкие вещи, чем толкать их», — сказал Робинсон.
«Вот почему поезда тянут, а не толкают», — сказал соавтор химик Маттео Паскуали. «Вот почему вы хотите поставить телегу позади лошади».Волокно проходит через отверстие, примерно в три раза превышающее его размер, но все же достаточно маленькое, чтобы пропускать через него очень мало жидкости. Робинсон сказал, что никакая жидкость не следует по проводам в ткани мозга (или, в экспериментах, в агарозный гель, который служил заменителем мозга).По словам Робинсона, между устройством и тканью есть небольшой зазор.
Небольшая длина волокна в промежутке остается неизменным, как ус, который остается жестким, прежде чем превратиться в прядь волос. «Мы используем эту очень короткую длину без опоры, чтобы позволить нам проникнуть в мозг и использовать поток жидкости на заднем конце, чтобы электрод оставался жестким, когда мы продвигаем его вниз в ткань», — сказал он.«Как только проволока оказывается в ткани, она превращается в эластичную матрицу, поддерживаемую гелевым материалом со всех сторон», — сказал Паскуали, пионер волокна углеродных нанотрубок, чья лаборатория изготовила нестандартное волокно для этого проекта. «Он поддерживается сбоку, поэтому проволоку нелегко согнуть».Волокна углеродных нанотрубок проводят электроны во всех направлениях, но для связи с нейронами они могут быть проводящими только на кончике, сказал Кемере. «Мы воспринимаем изоляцию как должное. Но покрытие нити нанотрубки чем-то, что сохранит ее целостность и заблокирует проникновение ионов вдоль стороны, — нетривиально», — сказал он.
Сушма Шри Памулапати, аспирант лаборатории Паскуали, разработал метод покрытия волокна углеродных нанотрубок с сохранением его ширины от 15 до 30 микрон, что намного меньше ширины человеческого волоса. «Как только мы узнали размер волокна, мы изготовили соответствующее ему устройство», — сказал Робинсон. «Оказалось, что мы можем сделать выходной канал в два или три раза больше диаметра электрода, не проходя через него много жидкости».Исследователи заявили, что их технология в конечном итоге может быть расширена для доставки в мозг сразу нескольких микроэлектродов, которые плотно прилегают друг к другу; это сделало бы установку имплантатов более безопасной и простой. «Поскольку в процессе имплантации мы наносим меньше повреждений, мы могли бы поместить больше электродов в конкретную область, чем при использовании других подходов», — сказал Робинсон.