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Les électrodes basées sur hydrogel neuves sont conformes confortablement aux formes innombrables du fuselage

Les choix d'électrodes en métal sont employés souvent dans les actes médicaux qui exigent la surveillance ou des impulsions électriques de livraison dans le fuselage, tel que la chirurgie cérébrale et le mappage d'épilepsie. Cependant, le métal et les matières plastiques qui les comportent sont raides et inflexibles tandis que les tissus du fuselage sont mous et malléables. Ce mésappariement limite les places dans lesquelles des choix d'électrode peuvent être avec succès employés, et exige également de l'application d'un grand nombre de courant électrique « pour sauter » l'écartement entre une électrode et son objectif.

Les électrodes basées sur hydrogel neuves sont conformes confortablement aux formes innombrables du fuselage
Electrodes_CU d'hydrogel d'électrode sur le modèle de cerveau : L'électrode d'hydrogel peut « circuler » pour adapter beaucoup de surfaces inégales et crevasses du fuselage sans endommager les tissus fragiles. Crédit : Institut de Wyss à l'Université de Harvard. On lui montre ici sur un faux « cerveau » fait en agarose gélatineuse. Crédit d'image : Institut de Wyss à l'Université de Harvard

Inspiré par les seules propriétés physiques des tissus humains vivants, une équipe des scientifiques de l'institut de Wyss de Harvard et John A. Paulson School du bureau d'études et des sciences appliquées (MERS) a produit les choix d'électrode flexibles et sans métal qui sont conformes confortablement aux formes innombrables du fuselage, des plis profonds du cerveau aux nerfs fibreux du coeur. Ceci étreinte proche permet à des impulsions électriques d'être enregistrées et stimulées avec des tensions exigées inférieures, active leur utilisation dans des régions du corps de dur-à-extension, et réduit à un minimum le risque des dégâts aux organes fragiles.

« Nos électrodes basées sur hydrogel prennent admirablement la forme de Qu'est ce que tissu elles sont mis en circuit, et ouvrent la trappe à la création facile moins d'invasif, les matériels médicaux personnalisés, » a dit la première l'auteur Christina Tringides, un étudiant de troisième cycle à l'institut de Wyss et au programme de biophysique de Harvard. L'accomplissement est rapporté en nanotechnologie de nature.

Un matériel médical inspiré par le corps humain

Un des cachets de tous les tissus vivants, en particulier le cerveau et la moelle épinière, est qu'ils sont « visco-élastiques » - c.-à-d., ils jailliront de nouveau à leur forme originelle si de la pression est appliquée à eux et puis relâchée, mais déformeront de manière permanente dans une forme neuve si la pression est continuement appliquée. Un exemple classique est l'oreille mesurant, en laquelle mettre un plus grand et plus grand outil dans une oreille percée étire à l'extérieur le trou dans le lobe au fil du temps.

Tringides et son équipe se sont rendus compte que les hydrogels d'alginate, qui ont été développés à l'institut de Wyss pour un certain nombre de fonctionnements comprenant les adhésifs chirurgicaux et l'encapsulation unicellulaire, sont également visco-élastiques, et raison pour laquelle ils devraient pouvoir les ajuster pour apparier la visco-élasticité des tissus. Donné son mouvement propre dans le bureau d'études neural, Tringides a décidé d'essayer de produire les électrodes entièrement visco-élastiques qui pourraient apparier cela du cerveau pour une surveillance neuroelectric plus sûre et plus efficace. Des électrodes normales sont faites de choix conducteurs en métal contenus dans un film plastique mince, et sont jusqu'million de fois plus raide que le cerveau.

La première tâche de l'équipe était de vérifier si leurs hydrogels d'alginate pourraient avec succès être conformes aux tissus vivants. Après l'expérimentation avec différents types d'hydrogels, ils ont arrangé sur une version qui le plus attentivement a apparié les propriétés mécaniques du cerveau et du tissu cardiaque. Ils ont alors mis leur hydrogel sur un faux « cerveau » effectué à partir de l'agarose comme une gélatine, et comparé son rendement à celui d'une matière plastique et d'un matériau élastique.

L'hydrogel d'alginate a eu le double la quantité de contact avec le faux cerveau fondamental comparé aux autres matériaux, et pouvait même entrer vers le bas dans certaines de beaucoup d'incisions profondes du cerveau. Quand elles ont laissé les matériaux sur les faux cerveaux pendant deux semaines, le matériau élastique avait considérablement déménagé de son emplacement originel et a immédiatement jailli de nouveau dans sa forme originelle une fois retiré du faux tissu fondamental. En revanche, l'hydrogel d'alginate est resté en position le temps plein et a maintenu sa forme comme un cerveau après démontage.

Aller de pair avec le flux

Maintenant que l'équipe a eu un matériau qui pourrait fléchir et circuler autour des tissus, elles ont dû inventer une électrode qui pourrait faire la même chose. L'immense majorité d'électrodes sont faites de métal parce que les métaux sont hautement électriquement conducteurs - mais également très raide et inflexible.

Après beaucoup d'expériences et de nuits tardives dans le laboratoire, l'équipe a recensé une combinaison des éclailles de graphene et des nanotubes de carbone en tant que leur premier candidat. Une « partie de l'avantage de ces matériaux est leur longue et étroite forme. Elle est un peu comme projeter un cadre de spaghetti crus sur l'étage - parce que les nouilles sont toutes longues et minces, elles sont susceptibles de se croiser aux remarques multiples. Si vous projetez quelque chose plus courte et plus rond sur l'étage, comme le riz, plusieurs des textures ne toucheront pas du tout, » a dit Tringides.

Quand ces matériaux spaghetti spaghetti ont été inclus dans les hydrogels d'alginate, ils ont entrecroisé leur voie par le gel de produire poreux, dont les voies conductrices par l'électricité pourraient se déplacer. Ces électrodes flexibles ont pu être courbées plus de 180 degrés et être attachées dans des noeuds sans se briser, leur effectuant un associé parfait pour l'hydrogel visco-élastique d'alginate.

Pour le remonter tout, l'équipe a entouré leur électrode conductrice neuve avec une couche d'isolation d'un polymère de silicones autocuratif PDMS appelé, qui a été alors serré entre deux couches de l'hydrogel d'alginate. Le dispositif donnant droit était hautement flexible, et pourrait être étiré jusqu'à 10 fois sa longueur sans se briser ou déchirer. Quand des cellules du cerveau vivantes telles que des astrocytes et des neurones ont été développées sur les dispositifs, les cellules n'ont manifesté aucun dégât ou d'autres effets négatifs, proposant que le dispositif pourrait être en toute sécurité utilisé sur les tissus vivants.

Un choix alternatif pour des cabinets de consultation plus sûrs

L'équipe a alors vérifié leur choix d'électrode visco-élastique neuf en conditions du monde réel en le fixant à un coeur de souris. Le dispositif est resté en place sur le tissu pendant qu'il déménageait, et est demeuré intact au-dessus des dizaines de milliers de contractions musculaires. Les chercheurs alors écaillés, fixant leur dispositif à un cerveau de rat, un coeur de rat, et un coeur de vache, qui n'a remarqué aucun dégât et aucun glissement du dispositif, même lorsque courbé plus de 180 degrés. En revanche, un choix d'électrode commercial n'est pas resté en contact avec le coeur de vache une fois courbé plus de 90 degrés.

En conclusion, le choix d'électrode visco-élastique a été avec succès employé à stimulent des nerfs et l'activité électrique record in vivo. Quand le dispositif a été fixé à la patte de derrière d'une souris vivante, les chercheurs ont avec succès stimulé différents muscles pour se contracter par la variation qui de plusieurs électrodes a fourni la stimulation. Ils ont alors fixé leur dispositif au coeur d'une souris et au cerveau d'un rat pendant les cabinets de consultation. L'activité électrique du coeur et le cerveau ont été avec succès enregistrés par le dispositif, qui a été courbé pour fixer aux endroits de dur-à-extension et n'a entraîné aucune blessure aux animaux pendant l'utilisation.

« La visco-élasticité de ce dispositif marque un sens neuf dans des matériels médicaux, qui sont type conçus pour être purement élastiques, » a dit l'auteur Dave correspondant Mooney, le Ph.D., qui est un membre de la faculté de faisceau de Wyss et un chef de la plate-forme des Immuno-Matériaux de l'institut. « En adoptant l'approche opposée, nous pouvons nous connecter par interface aux tissus du fuselage beaucoup plus attentivement, permettant une surface adjacente plus fonctionnelle sans endommager le tissu. » Mooney est également le professeur de Robert P. Pinkas Family de la bio-ingénierie en mer.

L'équipe continue à développer leurs dispositifs, et travaille actuel pour les valider chez de plus grands animaux in vivo avec l'objectif ultime de les rendre procurables pour l'usage pendant les actes médicaux tels que la chirurgie de démontage de tumeur cérébrale et le mappage d'épilepsie. Ils espèrent également que cette technologie neuve activera l'enregistrement électrique et la stimulation à exécuter dans les parties du fuselage qui sont actuel inaccessibles par les dispositifs disponibles dans le commerce.

J'aime la sortie de la boîte pensant cette équipe employée pour traiter le problème des électrodes semi-rigides en contestant la supposition qu'ils ont dû être faits de métal et plastique solide pour être efficaces. Est ce genre de modèle pensant, résolution des problèmes, et plus-value pour l'importance d'apparier les mécanismes des systèmes vivants ce que nous tâchons de cultiver et d'encourager à l'institut de Wyss, et c'est un exemple grand des avantages qui peuvent être retirés comme résultat. »

Don Ingber, M.D., Ph.D., directeur de fondation, institut de Wyss

Ingber est également le professeur de Judah Folkman de la biologie vasculaire à la Faculté de Médecine de Harvard, et le programme de biologie vasculaire à l'hôpital pour enfants de Boston, et au professeur de la bio-ingénierie en mer.

Les auteurs complémentaires de l'article incluent Nicolas Vachicouras, Alix Trouillet, Florian Fallegger, et Stéphanie P Lacour d'École Polytechnique Fédérale De Lausanne, Suisse ; Irène de Lázaro, Hua Wang, la BO Ri Seo, et Alberto Elosegui-Artola de l'institut et des MERS de Wyss ; Yuyoung Shin et Cinzia Casiraghi de l'université de Manchester, R-U ; et Kostas Kostarelos de l'université de Manchester et de l'institut catalan de Nanoscience et de nanotechnologie, Espagne.

Cette recherche a été supportée par le National Science Foundation, les instituts de la santé nationaux, l'institut de Wyss pour le bureau d'études biologiquement inspiré à l'Université de Harvard, l'institut national de la recherche dentaire et craniofaciale, l'institut d'Eunice Kennedy Shriver des santés de l'enfant national et le développement humain, le programme de recherches et d'innovation de l'horizon 2020 de l'Union européenne, l'EPSRC, la fondation de Bertarelli, le centre Genève de Wyss, et le SNSF Sinergia.

Source:
Journal reference:

Tringides, C.M., et al. (2021) Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues. Nature Nanotechnology. doi.org/10.1038/s41565-021-00926-z.