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碳纳米管纤维提供与神经元的双向交流

来自莱斯大学的新研究表明,碳纳米管纤维提供与神经元的双向连接,并显示出治疗患有神经疾病的患者的希望。 / em

莱斯大学发明的碳纳米管纤维可以提供直接与大脑沟通的最佳方式。

纤维被证明优于金属电极,用于深度脑刺激并从神经元网络读取信号。因为它们提供双向连接,所以它们在治疗患有神经障碍的患者中显示出希望,同时监控控制运动,情绪和身体功能的区域中的神经回路的实时反应。

据Rice的新实验证明,生物相容性纤维是与大脑神经元系统相互作用的小型安全电极的理想人选。他们可以取代目前用于帕金森病患者深部脑刺激治疗装置的更大型电极。

研究人员写道,他们还可能推进技术,恢复感觉或运动功能,脑机接口以及针对其他神经紊乱(包括肌张力障碍和抑郁症)的深度脑刺激疗法。

这篇论文本周在美国化学学会期刊ACS Nano上发表。

由化学家和化学工程师Matteo Pasquali的Rice实验室创建的纤维包含最初用于强度,重量和导电性至关重要的航空应用的长纳米管束。

单个纳米管的尺寸仅为几纳米,但是当数百万个被捆绑在称为湿纺的工艺中时,它们变成线状纤维约四分之一的人发宽度。

“我们将这些纤维开发成高强度,高导电率的材料,”Pasquali说。 “但是,一旦我们掌握了它们,我们意识到它们有一个意想不到的特性:它们非常柔软,很像丝线。它们独特的强度,导电性和柔软性使其成为理想的人体电气功能接口。“

2012年同时到来的还有带来帕金森病动物模型专长的Rice助理教授Caleb Kemere,以及帕斯夸利实验室的化学和生物医学工程学学位的研究科学家弗拉维亚维塔勒(Flavia Vitale),促进了这项调查。

“大脑基本上是布丁的一致性,并且与僵硬的金属电极不能很好地相互作用,”Kemere说。 “梦想是让电极具有相同的一致性,这就是为什么我们对这些柔性碳纳米管纤维及其长期生物相容性非常兴奋的原因。”

对细胞和对帕金森病症状的大鼠进行几周的测试证明,纤维稳定,并且与商业铂电极一样有效,只有大小的一小部分。软纤维引起的炎症很少,通过防止人体的疤痕形成和包裹损伤部位,有助于保持与神经元的强大电连接。

Kemere说,高导电性的碳纳米管纤维还表现出比现有技术的金属电极更好的阻抗 - 电连接的质量 - 使得在较长时间内在较低电压下更好地接触。

纤维的工作端是暴露的尖端,大约是神经元的宽度。其余的是用具有优异绝缘性能的柔性,生物相容性聚合物的三微米层包裹。

挑战在于放置提示。 “这实际上只是一个脑图谱的问题,并且在实验过程中非常精细地调整电极并将它们放到正确的位置,”Kemere说,他的实验室研究连接信号处理系统和大脑记忆和认知中心的方法。

Kemere说,植入深部脑刺激设备的医生开始使用能够“听取”根据功能发出特征信号的神经元的记录探针。一旦外科医生找到合适的位置,将探针取下并轻轻插入刺激电极。 Vitale说,发送和接收信号的水稻碳纳米管纤维将简化植入。

这些纤维可能导致帕金森病患者和其他患者的自我调节治疗装置。目前的装置包括植入物,它向大脑发送电信号以平息震颤帕金森患者的震颤。

“但我们的技术能够在刺激的同时进行记录,”Vitale说。 “目前的电极只能刺激组织。它们太大而无法检测到任何尖峰活动,所以基本上临床装置发送连续的脉冲,而不管大脑的反应如何。“

Kemere预见了一个闭环系统,可以读取神经元信号并实时调整刺激治疗。他预计建立一个带有许多电极的设备,可以单独寻址,以便从小型植入式设备获得对刺激和监测的良好控制。

“有趣的是,电导率并不是纳米管纤维最重要的电学特性,”Pasquali说。 “这些纤维本质上是多孔的,并且非常稳定,这两种纤维相对于用于传感电化学信号并长时间保持性能的金属电极都是很大的优势。”

共同作者是美国加州大学伯克利分校的博士后研究员Rice Alumna Samantha Summerson和J.S.的Behnaam Aazhang。 Abercrombie Rice大学电子与计算机工程教授。 Pasquali是A.J.哈特索克化学和生物分子工程教授,化学系主任,材料科学与纳米工程和化学教授。 Kemere是电气和计算机工程的助理教授。

韦尔奇基金会,美国国家科学基金会和美国空军科学研究办公室支持这项研究。

出版物:Flavia Vitale等,“双向,软碳纳米管纤维微电极的神经刺激和记录”,ACS Nano,2015; DOI:10.1021 / acsnano.5b01060

来源:莱斯大学Mike Williams

图片:Pasquali Lab提供