Il sistema nervoso è carico di informazioni codificate:pensieri, emozioni, controllo del motore. Questo sistema nei nostri corpi è un enigma, e più possiamo fare per capirlo, più possiamo fare per migliorare la vita umana. Le interfacce cervello-macchina forniscono un modo per connettersi con questo sconcertante sistema di organi, compreso il cervello. Ma poiché i dispositivi elettronici sono rigidi, planare, e rigido, causano lesioni ai tessuti molli del cervello.
Fino ad ora, è stato estremamente impegnativo sviluppare un materiale e un metodo di fabbricazione sufficientemente flessibili da fondersi con il cervello, ma abbastanza adesivo da stare in un posto. Però, Il Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Ingegneria Biomedica della Carnegie Mellon University Chris Bettinger e il suo gruppo hanno creato un materiale idrogel e un processo di fabbricazione per elettrodi che si attaccano al cervello, abbinando il suo morbido, trucco delicato.
"Immagina di avere una ciotola di Jell-O, e si inserisce una forchetta di plastica rigida nella ciotola e la si sposta, " dice Bettinger. " Danneggerà il Jell-O, producendo difetti e cambiamenti strutturali irreversibili. Questa situazione è analoga all'inserimento di una sonda elettronica rigida in un tessuto molle come il cervello di qualcuno. È una combinazione di ciò che chiamiamo micro-movimento e meccanica, che lavorano insieme non solo per danneggiare il cervello, ma anche compromettere la funzione del sensore impiantato."
L'elettrodo rigido rileva quando i neuroni si attivano e registra le tensioni associate a quei neuroni che attivano. Ma col tempo, il corpo interpreta questo materiale come una lesione e un corpo estraneo che deve essere attaccato, degradato, isolato, e rimosso. Le cellule infiammatorie circondano quindi la sonda, interrompendo la potenza del segnale dei neuroni in quell'area.
Negli ultimi vent'anni, l'elettronica a base di silicio è passata da una forma rigida e planare a una curva, flessibile, ed estensibile. La rigidità di questi dispositivi elettronici si è evoluta dall'essere rigida come il legno, a sottile e flessibile come la carta, elastico e flessibile come elastici. Ora, Il team di Bettinger sta facendo un ulteriore passo avanti, rendendoli non solo flessibili ed estensibili, ma anche estremamente morbido e adesivo.
"Se potessimo fabbricare dispositivi elettronici con proprietà meccaniche più vicine a 'Jell-O' piuttosto che in legno o plastica, quindi possiamo interfacciare surrettiziamente le sonde neurali con il cervello in un modo più benigno, "dice Betting.
La sfida è che i processi utilizzati per realizzare elettronica sofisticata richiedono temperature elevate (400 C o superiori), un vuoto, e solventi esotici, respingenti, acidi, e basi per incidere materiali e motivi. Nessuno di questi è compatibile con i materiali soft hydrogel.
Per combattere questi problemi fondamentali, Bettinger e il suo team hanno creato un nuovo modo per fabbricare l'elettronica, disaccoppiando i processi di fabbricazione della parte elettronica e il substrato morbido in cui è incorporata. costruiscono la parte elettronica su un substrato compatibile con le alte temperature, solventi estremi, e un vuoto, e creare il substrato di idrogel separatamente. Quindi, rimuovono il pezzo elettronico dal suo substrato originale e lo aderiscono al substrato di idrogel. Il dispositivo finale contiene un sottile strato di elettronica su un morbido, flessibile, e substrato appiccicoso che ha proprietà meccaniche simili a quelle del sistema nervoso.
Un'altra sfida è stata la creazione di un materiale che fosse ancora adesivo nel fluido. Se il materiale non può aderire quando è bagnato, sarebbe come cercare di tenere addosso un cerotto mentre si è in piscina. Affinché l'elettrodo funzioni, deve rimanere fermo in un punto per un lungo periodo di tempo. I ricercatori hanno studiato le proprietà di animali come la cozza blu, che si attacca alle rocce sott'acqua. Hanno applicato gli stessi principi chimici durante la creazione del substrato di idrogel.
"Invece di dover prendere un cervello o un midollo spinale e poi infilarci dentro qualcosa e poi ferirlo, "dice Betting, "possiamo laminarlo sopra ed evitare lesioni al tessuto".
Il fatto che i nodi non danneggino il tessuto e non si muovano significa che sono in grado di registrare un segnale più forte e preciso dai neuroni che sparano. Le sonde potrebbero ora essere utilizzate non solo per registrare segnali, ma anche per stimolare le terapie.
Per esempio, la serie di elettrodi nella sonda potrebbe bloccare il segnale che induce l'infiammazione nelle persone con artrite reumatoide. Invece di usare antidolorifici come gli oppiacei, una terapia elettronica che stimoli regioni appropriate del midollo spinale potrebbe essere più mirata ed efficace, evitando il rischio di dipendenza rispetto agli interventi a base farmaceutica. Gli elettrodi possono essere utilizzati anche per applicazioni di registrazione a lungo termine, come testare come un nuovo farmaco potrebbe influenzare il cuore. un appiccicoso, elettrodo morbido che può piegarsi e flettersi può ospitare il cuore, registrare le sue contrazioni, e indicare quale farmaco potrebbe essere più efficace.
"Stiamo cercando di migliorare la larghezza di banda temporale di queste sonde, preservando la longevità del materiale. Quindi possiamo acquisire maggiori informazioni e mantenere un adeguato rapporto segnale-rumore, " ha detto Bettinger. "I ricercatori in più discipline stanno cercando di migliorare il modo in cui i dispositivi elettronici possono interfacciarsi con il sistema nervoso. Riteniamo di contribuire a questo sforzo più ampio espandendo la cassetta degli attrezzi dei materiali per migliorare le prestazioni del dispositivo".
Bettinger e il suo gruppo stanno collaborando con ricercatori in ingegneria elettrica e informatica della Carnegie Mellon e con ricercatori dell'Università di Pittsburgh. I loro risultati sono stati pubblicati in Materiali funzionali avanzati .
