ارسال سیگنال به مغز با الکترود‌هایی نانویی

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، از آرایه‌های الکترود‌های فلزی معمولا در حوزه پزشکی که نیاز به نظارت یا رساندن تکانه‌های الکتریکی در بدن دارند، مانند جراحی مغز و نقشه‌برداری از بیماران مبتلا به صرع استفاده می‌شود.

با این حال، مواد فلزی و پلاستیکی سفت و انعطاف‌پذیر نیستند در حالی که بافت‌های بدن نرم و قابل انعطاف هستند. این عدم تطابق مکان‌هایی را که می‌توان از آرایه‌های الکترود با موفقیت استفاده کرد، محدود می‌کند و همچنین برای انتقال جریان بین الکترود و هدف نیاز به استفاده از مقدار زیادی جریان الکتریکی است.

تیمی از دانشمندان موسسه وایس در دانشگاه هاروارد و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی John A. Paulson (SEAS) با الهام از خصوصیات فیزیکی منحصر به فرد بافت‌های زنده انسان، آرایه‌های الکترود انعطاف‌پذیر و فاقد فلز ایجاد کرده‌اند که کاملاً مطابق با اشکال بی‌شمار بدن از چین‌های عمیق مغز گرفته تا اعصاب الیافی شکل قلب است. با کمک این الکترود‌ها تکانه‌های الکتریکی با ولتاژ‌های کمتر مورد نیاز خواهد بود، استفاده از آن‌ها را در مناطق با دسترسی محدود بدن امکان‌پذیر می‌کند و خطر آسیب به اندام‌های ظریف را به حداقل می‌رساند.

برخلاف الکترود‌های استاندارد که از اجزای فلزی سفت و سخت ساخته شده‌اند، الکترود هیدروژل از طریق ترکیبی از نانولوله‌های کربنی و گرافن جاسازی شده در یک هیدروژل آلژینات فوق‌العاده انعطاف‌پذیر به هدایت الکتریکی دست می‌یابد.

کریستینا ترینگیدس، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در موسسه وایس گفت: «الکترود‌های ما مبتنی بر هیدروژل بوده و به سادگی روی هر بافتی که روی آن قرار می‌گیرند، تثبیت می‌شوند و دستگاه‌های پزشکی کمتر تهاجمی و شخصی را ایجاد می‌کنند.»

نتایج این پروژه در نشریه Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.

یکی از مشخصه‌های بافت‌های زنده، به ویژه مغز و نخاع، «ویسکوالاستیک» بودن آنها است، یعنی اگر به آن‌ها فشار وارد و سپس آزاد شود، آن‌ها به شکل اولیه خود باز می‌گردند، اما به‌طور دائمی تغییر شکل می‌دهند.

ترینگیدز و همکارانش دریافتند که هیدروژل‌های آلژینات، که برای فعالیت‌های مختلفی از جمله چسب‌های جراحی و کپسوله‌سازی تک سلولی در موسسه وایس ساخته شده‌اند، نیز ویسکوالاستیک هستند. با توجه به سابقه خود در مهندسی عصبی، تیم ترینگیدس تصمیم گرفت تلاش کند تا الکترود‌های کاملا ویسکوالاستیکی ایجاد کند که بتواند با خاصیت الاستیسیته مغز مطابقت داشته باشد تا نظارت عصبی و الکتریکی ایمن‌تری داشته باشد. الکترود‌های استاندارد از آرایه‌های رسانای فلزی موجود در یک فیلم پلاستیکی نازک ساخته می‌شوند و تا یک میلیون برابر سفت‌تر از مغز هستند.

اولین کار این گروه تحقیقاتی آزمایش این موضوع بود که آیا هیدروژل‌های آلژینات آن‌ها می‌تواند با موفقیت با بافت‌های زنده سازگار باشد. آن‌ها پس از آزمایش انواع مختلف هیدروژل‌ها، به نسخه‌ای دست یافتند که با خصوصیات مکانیکی مغز و بافت قلب مطابقت دارد. آن‌ها سپس هیدروژل خود را روی «مغز» مدل آزمایشگاهی ساخته شده از آگارز مانند ژلاتین قرار دادند و عملکرد آن را با عملکرد یک ماده پلاستیکی و یک ماده الاستیک مقایسه کردند.

هیدروژل آلژینات در مقایسه با سایر مواد دو برابر تماس با مغز داشت و حتی توانست به بسیاری از شیار‌های عمیق مغز وارد شود.