I ricercatori della Rice University hanno inventato un dispositivo che utilizza fluidi in rapido movimento per inserire flessibili, fibre conduttive di nanotubi di carbonio nel cervello, dove possono aiutare a registrare le azioni dei neuroni.

La tecnica basata sulla microfluidica del team Rice promette di migliorare le terapie che si basano su elettrodi per rilevare i segnali neuronali e attivare azioni in pazienti con epilessia e altre condizioni.

Infine, i ricercatori hanno detto, elettrodi basati su nanotubi potrebbero aiutare gli scienziati a scoprire i meccanismi alla base dei processi cognitivi e creare interfacce dirette con il cervello che consentiranno ai pazienti di vedere, sentire o controllare gli arti artificiali.

Il dispositivo utilizza la forza applicata da fluidi in rapido movimento che fanno avanzare delicatamente le fibre flessibili isolate nel tessuto cerebrale senza deformarsi. Questo metodo di consegna potrebbe sostituire navette rigide o rigide, guaine biodegradabili utilizzate ora per fornire fili nel cervello. Entrambi possono danneggiare i tessuti sensibili lungo la strada.

La tecnologia è oggetto di un articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

Esperimenti in laboratorio e in vivo hanno mostrato come i dispositivi microfluidici costringano un fluido viscoso a scorrere attorno a un elettrodo a fibra sottile. Il fluido in rapido movimento spinge lentamente la fibra in avanti attraverso una piccola apertura che conduce al tessuto. Una volta che attraversa il tessuto, i test hanno mostrato il filo, anche se molto flessibile, rimane dritto.

"L'elettrodo è come una pasta cotta che stai cercando di mettere in una ciotola di Jell-O, " ha detto l'ingegnere della Rice Jacob Robinson, uno dei tre capi progetto. "Da solo, non funziona. Ma se metti quella pasta sotto l'acqua corrente, l'acqua raddrizza la pasta."

Il filo si muove lentamente rispetto alla velocità del fluido. "La cosa importante è che non stiamo spingendo sull'estremità del filo o in una posizione individuale, " ha detto il co-autore Caleb Kemere, un ingegnere elettrico e informatico della Rice specializzato in neuroscienze. "Stiamo tirando lungo l'intera sezione trasversale dell'elettrodo e la forza è completamente distribuita".

"È più facile tirare le cose che sono flessibili che spingerle, " ha detto Robinson.

"Ecco perché i treni vengono tirati, non spinto, " disse il chimico Matteo Pasquali, un coautore. "Ecco perché vuoi mettere il carro dietro il cavallo."

La fibra si muove attraverso un'apertura circa tre volte la sua dimensione, ma ancora abbastanza piccola da lasciar passare pochissimo fluido. Robinson ha detto che nessuno dei fluidi segue il filo nel tessuto cerebrale (o, negli esperimenti, il gel di agarosio che fungeva da sostituto del cervello).

C'è un piccolo spazio tra il dispositivo e il tessuto, disse Robinson. La piccola lunghezza della fibra nello spazio rimane in rotta come un baffo che rimane rigido prima che cresca in una ciocca di capelli. "Usiamo questo molto breve, lunghezza non supportata per consentirci di penetrare nel cervello e utilizzare il flusso di fluido sull'estremità posteriore per mantenere rigido l'elettrodo mentre lo spostiamo nel tessuto, " Egli ha detto.

"Una volta che il filo è nel tessuto, è in una matrice elastica, supportato tutt'intorno dal materiale in gel, "disse Pasquali, un pioniere della fibra di nanotubi di carbonio il cui laboratorio ha realizzato una fibra personalizzata per il progetto. "È supportato lateralmente, quindi il filo non può piegarsi facilmente."

Le fibre di nanotubi di carbonio conducono gli elettroni in ogni direzione, ma per comunicare con i neuroni, possono essere conduttivi solo sulla punta, ha detto Kemer. "Diamo per scontato l'isolamento. Ma rivestire un filo di nanotubi con qualcosa che manterrà la sua integrità e impedirà agli ioni di entrare lungo il lato non è banale, " Egli ha detto.

Sushma Sri Pamulapati, uno studente laureato nel laboratorio di Pasquali, ha sviluppato un metodo per rivestire una fibra di nanotubi di carbonio e mantenerla ancora larga tra 15 e 30 micron, ben al di sotto della larghezza di un capello umano. "Una volta che abbiamo conosciuto la dimensione della fibra, abbiamo fabbricato il dispositivo per abbinarlo, "Ha detto Robinson. "Si è scoperto che potevamo fare in modo che il canale di uscita fosse due o tre volte il diametro dell'elettrodo senza che passasse molto fluido".

I ricercatori hanno affermato che la loro tecnologia potrebbe eventualmente essere ridimensionata per fornire al cervello più microelettrodi ravvicinati; ciò renderebbe più sicuro e più facile l'inserimento degli impianti. "Poiché stiamo creando meno danni durante il processo di impianto, potremmo essere in grado di mettere più elettrodi in una particolare regione rispetto ad altri approcci, " ha detto Robinson.