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Nuovi ad elettrodi basati a idrogel si conformano comodamente alle forme innumerevoli dell'organismo

Le schiere degli elettrodi del metallo sono usate spesso nelle procedure mediche che richiedono il video o la consegna degli impulsi elettrici nell'organismo, come neurochirurgia e mappatura dell'epilessia. Tuttavia, il metallo e le materie plastiche che li comprendono sono rigidi ed inflessibili mentre i tessuti dell'organismo sono molli e malleabili. Questo disadattamento limita i posti in cui gli stendiment elettrodici possono essere utilizzati con successo ed egualmente richiede l'applicazione di un gran numero di corrente elettrica per “saltare„ lo spazio fra un elettrodo ed il suo obiettivo.

Nuovi ad elettrodi basati a idrogel si conformano comodamente alle forme innumerevoli dell
Electrodes_CU dell'idrogel dell'elettrodo sul modello del cervello: L'elettrodo dell'idrogel può “scorrere„ per misura molte superfici irregolari e le crepe dell'organismo senza danneggiare i tessuti delicati. Credito: Istituto di Wyss alla Harvard University. È indicato qui “su un cervello„ falso fatto dell'agarosi gelatinosa. Credito di immagine: Istituto di Wyss alla Harvard University

Ispirato dalle proprietà fisiche uniche dei tessuti umani viventi, un gruppo degli scienziati dall'istituto del Wyss di Harvard e John A. Paulson School di assistenza tecnica e di scienze applicate (MARI) ha creato gli stendiment elettrodici flessibili e senza metallo che si conformano comodamente alle forme innumerevoli dell'organismo, dalle pieghe profonde del cervello ai nervi fibrosi del cuore. Ciò abbraccio vicino permette che gli impulsi elettrici siano registrati e stimolati con le tensioni richieste più basse, che permette al loro uso nelle aree difficili da raggiungere dell'organismo e che minimizza il rischio di danneggiamento degli organi delicati.

“I nostri ai elettrodi basati a idrogel meravigliosamente catturano la forma di qualsiasi tessuto sono collocati sopra ed aprono la porta alla creazione facile di meno dilagante, apparecchi medici personali,„ ha detto prima l'autore Christina Tringides, un dottorando all'istituto di Wyss ed al programma della biofisica di Harvard. Il risultato è riferito in nanotecnologia della natura.

Un apparecchio medico ispirato dal corpo umano

Uno degli marchi di garanzia di tutti i tessuti viventi, specialmente il cervello ed il midollo spinale, è che sono “viscoelastici„ - cioè, balzeranno di nuovo alla loro forma originale se la pressione si applica a loro e poi è rilasciata, ma deformeranno permanentemente in una nuova forma se la pressione è continuamente applicata. Un esempio comune è orecchio che misura, in cui collocare un più grande e più grande calibro in un orecchio penetrante allunga col passare del tempo fuori il foro nel lobo.

Tringides ed il suo gruppo hanno rend contoere che gli idrogel dell'alginato, che sono stati sviluppati all'istituto di Wyss per una serie di funzioni compreso i collanti chirurgici e l'incapsulamento unicellulare, sono egualmente viscoelastici e ragione per cui dovrebbero potere sintonizzarli per abbinare la viscoelasticità dei tessuti. Dato il suo contesto nell'assistenza tecnica neurale, Tringides ha deciso di provare a creare gli elettrodi completamente viscoelastici che potrebbero abbinare quello del cervello per il video neuroelectric più sicuro e più efficace. Gli elettrodi standard sono fatti delle schiere conduttive del metallo contenute all'interno di un film plastico sottile e spettano milione volte a più rigido del cervello.

Il primo compito del gruppo era di provare se i loro idrogel dell'alginato potrebbero conformarsi con successo ai tessuti viventi. Dopo l'esperimento con tipi differenti di idrogel, si sono sistemati su una versione che ha abbinato il più molto attentamente i beni meccanici del tessuto del cuore e del cervello. Poi hanno collocato il loro idrogel “su un cervello„ falso fatto dall'agarosi del tipo di gelatina e confrontato la sua prestazione a quello di una materia plastica e di un materiale elastico.

L'idrogel dell'alginato ha avuto doppio la quantità di contatto con il cervello falso di fondo confrontato agli altri materiali e poteva anche scendere in alcune di molte scanalature profonde del cervello. Quando hanno lasciato i materiali sui cervelli falsi per due settimane, il materiale elastico si era mosso sostanzialmente dalla sua posizione originale ed immediatamente ha balzato nuovamente dentro la sua forma originale una volta eliminato dal tessuto falso di fondo. Al contrario, l'idrogel dell'alginato ha restato nella posizione il tempo pieno ed ha conservato la sua forma del tipo di cervello dopo rimozione.

Andando con il flusso

Ora che il gruppo ha avuto un materiale che potrebbe flettere e scorrere intorno ai tessuti, hanno dovuto inventare un elettrodo che potrebbe fare la stessa cosa. La vasta maggioranza degli elettrodi è fatta di metallo perché i metalli sono altamente elettricamente conduttivi - ma anche molto rigido ed inflessibile.

Dopo i molti esperimenti e notti tarde in laboratorio, il gruppo ha identificato una combinazione di fiocchi del graphene e di nanotubes del carbonio come loro candidato superiore. “La parte del vantaggio di questi materiali è la loro forma lunga e stretta. È un po'come il lancio della scatola di spaghetti crudi sul pavimento - perché le tagliatelle sono tutte lunghe e sottili, sono probabili attraversarsi ai punti multipli. Se gettate qualche cosa di più breve e più rotondo sul pavimento, come riso, molti dei granuli non toccheranno affatto,„ ha detto Tringides.

Quando questi materiali del tipo di spaghetti sono stati inclusi negli idrogel dell'alginato, hanno incrociato il loro modo attraverso il gel creare poroso, le vie conduttive con cui l'elettricità potrebbero viaggiare. Questi elettrodi flessibili hanno potuto essere piegati più di 180 gradi ed essere legati nei nodi senza rompersi, rendente loro un partner perfetto per l'idrogel viscoelastico dell'alginato.

Per un tutto, il gruppo ha circondato il loro nuovo elettrodo conduttivo con uno strato isolante di un polimero di silicone autorigenerante chiamato PDMS, che poi è stato interposto fra due livelli dell'idrogel dell'alginato. L'unità risultante era altamente flessibile e potrebbe essere allungata fino a 10 volte la sua lunghezza senza rompersi o strappare. Quando le cellule cerebrali viventi quali i astrocytes ed i neuroni si sono sviluppate sulle unità, le celle non non video danno o altri effetti negativi, suggerenti che l'unità potrebbe essere utilizzata sicuro sui tessuti viventi.

Una schiera alternativa per gli ambulatori più sicuri

Il gruppo poi ha verificato il loro nuovo stendimento elettrodico viscoelastico nelle circostanze nell'ambiente fissandolo ad un cuore del mouse. L'unità è restato sul posto sul tessuto mentre si è mossa ed è rimanere intatta sopra decine di migliaia di contrazioni del muscolo. I ricercatori allora sottoposti a operazioni di disgaggio su, fissando la loro unità ad un cervello del ratto, un cuore del ratto e un cuore della mucca, che non ha avvertito danno e franamento dell'unità, anche quando piegato più di 180 gradi. Al contrario, uno stendimento elettrodico commerciale non è restato in contatto con il cuore della mucca una volta piegato più di 90 gradi.

Per concludere, lo stendimento elettrodico viscoelastico è stato usato con successo a sia stimola i nervi che registra l'attività elettrica in vivo. Quando l'unità è stata fissata al cosciotto posteriore di un mouse vivente, i ricercatori hanno stimolato con successo i muscoli differenti per contrarrsi variando che di parecchi elettrodi ha consegnato lo stimolo. Poi hanno fissato la loro unità al cuore di un mouse ed il cervello di un ratto durante gli ambulatori. L'attività elettrica del cuore ed il cervello sono stati registrati con successo dall'unità, che è stata piegata per fissare alle aree difficili da raggiungere e non ha provocato ferite agli animali durante l'uso.

“La viscoelasticità di questa unità traccia una nuova direzione in apparecchi medici, che sono destinati tipicamente per essere puramente elastici,„ ha detto l'autore Dave corrispondente Mooney, Ph.D., che è un docente di memoria di Wyss e una guida della piattaforma dei Immuno-Materiali dell'istituto. “Adottando l'approccio opposto, possiamo collegare mediante interfaccia molto molto attentamente ai tessuti dell'organismo, permettendo un'interfaccia più funzionale senza danneggiare il tessuto.„ Mooney è egualmente il professore di Robert P. Pinkas Family della bioingegneria in mare.

Il gruppo sta continuando a sviluppare le loro unità e corrente sta lavorando per convalidarli in più grandi animali in vivo con lo scopo finale di metterli a disposizione per uso durante le procedure mediche come la chirurgia di rimozione di tumore cerebrale e mappatura dell'epilessia. Egualmente sperano che questa nuova tecnologia permetta alla registrazione elettrica ed allo stimolo da eseguire nelle parti del corpo che sono corrente inaccessibili dalle unità disponibili nel commercio.

Amo la fuori de casella che penso questo gruppo usato per affrontare il problema degli elettrodi semirigidi sfidando il presupposto che abbiano dovuto essere incitati di metallo e di plastica solida per essere efficaci. Questo genere di progettazione che pensa, la soluzione dei problemi ed apprezzamento per l'importanza dell'accoppiamento dei meccanismi dei sistemi viventi è che cosa ci sforziamo di coltivare ed incoraggiare all'istituto di Wyss e questo è un grande esempio dei vantaggi che possono essere tratti di conseguenza.„

Don Ingber, M.D., Ph.D., Direttore fondante, istituto di Wyss

Ingber è egualmente il professore di Judah Folkman di biologia vascolare alla facoltà di medicina di Harvard ed il programma vascolare di biologia all'ospedale pediatrico di Boston ed a professore della bioingegneria in mare.

Gli autori supplementari del documento includono Nicolas Vachicouras, Alix Trouillet, Florian Fallegger e Stéphanie P Lacour da École Polytechnique Fédérale il de Losanna, Svizzera; Irene de Lázaro, Hua Wang, la BO Ri Seo ed Alberto Elosegui-Artola dall'istituto e dai MARI di Wyss; Yuyoung Shin e Cinzia Casiraghi dall'università di Manchester, Regno Unito; e Kostas Kostarelos dall'università di Manchester e dell'istituto catalano di Nanoscience e di nanotecnologia, Spagna.

Questa ricerca è stata supportata dal National Science Foundation, gli istituti della sanità nazionali, l'istituto di Wyss per assistenza tecnica biologicamente ispirata alla Harvard University, l'istituto nazionale della ricerca dentaria & Craniofacial, l'istituto di Eunice Kennedy Shriver della salute dei bambini nazionale & lo sviluppo umano, il programma della ricerca e dell'innovazione dell'orizzonte 2020 dell'Unione Europea, il EPSRC, le fondamenta di Bertarelli, il centro Ginevra di Wyss e lo 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.