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Los nuevos electrodos hidrogel-basados se ajustan ajustado a las formas innumerables de la carrocería

Las matrices de electrodos del metal son de uso frecuente en los procedimientos médicos que requieren la supervisión o la entrega de impulsos eléctricos en la carrocería, tal como neurocirugía y correspondencia de la epilepsia. Sin embargo, el metal y los materiales plásticos que los comprenden son rígidos e inflexibles mientras que los tejidos de la carrocería son suaves y maleables. Este desequilibrio de impedancia limita los lugares en los cuales las matrices de electrodo pueden ser utilizadas con éxito, y también requiere el uso de una gran cantidad de corriente eléctrica para “para saltar” el entrehierro entre un electrodo y su objetivo.

Los nuevos electrodos hidrogel-basados se ajustan ajustado a las formas innumerables de la carrocería
Electrodes_CU del hidrogel del electrodo en modelo del cerebro: El electrodo del hidrogel puede “fluir” para ajustar las muchas superficies irregulares y las hendeduras de la carrocería sin el daño de tejidos delicados. Haber: Instituto de Wyss en la Universidad de Harvard. Se muestra aquí en un “cerebro falso” hecho de agarosa gelatinosa. Haber de imagen: Instituto de Wyss en la Universidad de Harvard

Inspirado por las propiedades físicas únicas de tejidos humanos de vida, las personas de científicos del instituto de Wyss de Harvard y Juan A. Paulson School de la ingeniería y de las ciencias aplicadas (MARES) ha creado las matrices de electrodo flexibles, metal-libres que se ajustan ajustado a las formas innumerables de la carrocería, de los dobleces profundos del cerebro a los nervios fibrosos del corazón. Esto abrazo cercano permite que estimulans los impulsos eléctricos sean registrados y con voltajes requeridos más inferiores, habilita su uso en las áreas difíciles de alcanzar de la carrocería, y disminuye el riesgo de daño a los órganos delicados.

“Nuestros electrodos hidrogel-basados toman maravillosamente la forma de cualquier tejido se colocan conectado, y abren la puerta en la creación fácil de menos invasor, los aparatos médicos personalizados,” dijo a primera autor Christina Tringides, estudiante de tercer ciclo en el instituto de Wyss y el programa de la biofísica de Harvard. El logro se denuncia en nanotecnología de la naturaleza.

Un aparato médico inspirado por el cuerpo humano

Uno de los sellos de todos los tejidos vivos, determinado el cerebro y la médula espinal, es que son “viscoelásticos” - es decir, saltarán de nuevo a su forma original si la presión se aplica a ellos y después se libera, pero deformarán permanente en una nueva forma si la presión es contínuo aplicada. Un ejemplo común es el oído que calibra, en el cual la colocación de un indicador más grande y más grande en un oído perforado estira fuera el orificio en el lóbulo en un cierto plazo.

Tringides y sus personas realizaron que los hidrogeles del alginato, que se han desarrollado en el instituto de Wyss para varias funciones incluyendo los adhesivos quirúrgicos y la encapsulación unicelular, son también viscoelásticos, y razonado que deben poder sintonizarlos para igualar la viscoelasticidad de tejidos. Dado le el fondo en la ingeniería de los nervios, Tringides decidía intentar crear los electrodos completo viscoelásticos que podrían igualar el del cerebro para una supervisión neuroelectric más segura y más de manera efectiva. Los electrodos estándar se hacen de las matrices conductoras del metal contenidas dentro de una película plástica fina, y están hasta millón de veces más rígido que el cerebro.

La primera tarea de las personas era probar si sus hidrogeles del alginato podrían ajustarse con éxito a los tejidos vivos. Después de experimentar con diversos tipos de hidrogeles, establecieron en una versión que igualó lo más de cerca posible las propiedades mecánicas del tejido del cerebro y del corazón. Entonces colocaron su hidrogel sobre un “cerebro falso” hecho gelatina-como de agarosa, y comparado su funcionamiento al de un material plástico y de un material de elástico.

El hidrogel del alginato tenía doble la cantidad de contacto con el cerebro falso subyacente comparado a los otros materiales, y podía incluso conseguir hacia abajo en algunas de las muchas ranuras profundas del cerebro. Cuando dejaron los materiales en los cerebros falsos por dos semanas, el material de elástico se había movido substancialmente desde su situación original y saltó inmediatamente nuevamente dentro de su forma original cuando estaba quitado del tejido falso subyacente. En cambio, el hidrogel del alginato tirante en la posición el todo el tiempo y conservó su cerebro-como forma después de retiro.

El ir con el flujo

Ahora que las personas tenían un material que podría doblar y fluir alrededor de tejidos, tuvieron que inventar un electrodo que podría hacer la misma cosa. Hacen la gran mayoría de electrodos del metal porque los metales son altamente eléctricamente conductores - pero también muy rígido e inflexible.

Después de muchos experimentos y últimas noches en el laboratorio, las personas determinaron una combinación de los copos del graphene y de los nanotubes del carbono como su candidato superior. La “parte de la ventaja de estos materiales es su forma larga y estrecha. Es un poco como lanzar una caja de espaguetis crudos en el suelo - porque los tallarines son todos largos y finos, son probables cruzarse en los puntos múltiples. Si usted lanza algo más corto y más redondo en el suelo, como el arroz, muchos de los granos no tocan en absoluto,” dijo a Tringides.

Cuando éstos espagueti-como los materiales fueron embutidos en los hidrogeles del alginato, entrecruzaron su manera a través del gel de crear poroso, los caminos conductores con las cuales electricidad podrían viajar. Estos electrodos flexibles se podían doblar más de 180 grados y atar en nudos sin la fractura, haciéndoles a un socio perfecto para el hidrogel viscoelástico del alginato.

Para juntarlo todo, las personas rodearon su nuevo electrodo conductor con una capa que aislaba de un polímero de silicón autoregenerable llamado PDMS, que entonces fue intercalado entre dos capas del hidrogel del alginato. El dispositivo resultante era altamente flexible, y se podría estirar hasta 10 veces su largo sin la fractura o rasgar. Cuando crecieron a las neuronas tales como astrocytes y neuronas en los dispositivos, las células no visualizaron ningún daño u otros efectos negativos, sugiriendo que el dispositivo se podría utilizar con seguridad en tejidos vivos.

Un arsenal alternativo para cirugías más seguras

Las personas entonces probaron su nuevo arsenal de electrodo viscoelástico en condiciones del mundo real sujetándolo a un corazón del ratón. Seguía habiendo el dispositivo tirante en el lugar en el tejido como se movió, e intacto sobre decenas de miles de contracciones del músculo. Los investigadores entonces aumentados, sujetando su dispositivo a un cerebro de la rata, un corazón de la rata, y un corazón de la vaca, que no experimentó ningún daño y ningún deslizarse del dispositivo, incluso cuando está doblado más de 180 grados. En cambio, un arsenal de electrodo comercial no tirante en contacto con el corazón de la vaca cuando estaba doblado más de 90 grados.

Finalmente, el arsenal de electrodo viscoelástico fue utilizado con éxito a estimula los nervios y registra actividad eléctrica in vivo. Cuando el dispositivo fue sujetado al tramo trasero de un ratón vivo, los investigadores estimularon con éxito diversos músculos para contratar variando que de varios electrodos entregó el estímulo. Entonces sujetaron su dispositivo al corazón de un ratón y el cerebro de una rata durante cirugías. La actividad eléctrica del corazón y el cerebro fueron registrados con éxito por el dispositivo, que estuvo doblado para sujetar a las áreas difíciles de alcanzar y no causó ningún daño a los animales durante uso.

“La viscoelasticidad de este dispositivo marca una nueva dirección en los aparatos médicos, que se diseñan típicamente para ser puramente elásticos,” dijo autor a Dave correspondiente Mooney, el Ph.D., que es un miembro del profesorado de la base de Wyss y un líder de la plataforma de los Inmuno-Materiales del instituto. “Tomando la aproximación opuesta, podemos interconectar con los tejidos de la carrocería mucho más de cerca, permitiendo un interfaz más funcional sin el daño del tejido.” Mooney es también el profesor de Roberto P. Pinkas Family de la bioingeniería en los MARES.

Las personas están continuando desarrollar sus dispositivos, y están trabajando actualmente para validarlos en animales más grandes in vivo con el objetivo último de hacerlos disponibles para el uso durante procedimientos médicos tales como cirugía del retiro del tumor cerebral y correspondencia de la epilepsia. También esperan que esta nueva tecnología habilite la grabación eléctrica y el estímulo que se realizarán en las partes de la carrocería que son actualmente inaccesibles por los dispositivos disponibles en el comercio.

Amo la fuera-de--caja que piensa a estas personas usadas para abordar el problema de electrodos semirrígidos desafiando la suposición que tuvieron que ser hechos del metal y del plástico sólido para ser efectiva. Esta clase de diseño que piensa, solución de problemas, y aprecio para la importancia de igualar a los mecánicos de sistemas vivos es lo que nos esforzamos cultivar y animar en el instituto de Wyss, y éste es un gran ejemplo de las ventajas que se pueden cosechar como consecuencia.”

Don Ingber, M.D., Ph.D., director de fundación, instituto de Wyss

Ingber es también el profesor de Judah Folkman de la biología vascular en la Facultad de Medicina de Harvard, y el programa vascular de la biología en el hospital de niños de Boston, y el profesor de la bioingeniería en los MARES.

Los autores adicionales del papel incluyen Nicolás Vachicouras, Alix Trouillet, Florian Fallegger, y Stéphanie P Lacour de École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza; Irene de Lázaro, Hua Wang, BO Ri Seo, y Alberto Elosegui-Artola del instituto y de los MARES de Wyss; Yuyoung Shin y Cinzia Casiraghi de la universidad de Manchester, Reino Unido; y Kostas Kostarelos de la universidad de Manchester y del instituto catalán de Nanoscience y de la nanotecnología, España.

Esta investigación fue soportada por el National Science Foundation, los institutos de la salud nacionales, el instituto de Wyss para la ingeniería biológico inspirada en la Universidad de Harvard, el instituto nacional de la investigación dental y craneofacial, el instituto nacional de Eunice Kennedy Shriver de saludes infantiles y revelado humano, el programa de la investigación y de la innovación del horizonte 2020 de la unión europea, el EPSRC, el asiento de Bertarelli, el centro Ginebra de Wyss, y el 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.