Новый одноэтапный метод изготовления улучшает конструкцию гибких трехмерных микроэлектродных матриц для нейронных приложений.
Нейронные интерфейсы имеют решающее значение для восстановления и улучшения нарушенных нейронных функций, но современные технологии испытывают трудности в достижении тесного контакта с мягкими и изогнутыми нейронными тканями.
Исследователи из Пусанского национального университета представили инновационный метод — микроэлектротермоформирование (μETF) — для создания гибких нейронных интерфейсов с микроскопическими трехмерными (3D) структурами.
Их результаты показывают, как этот метод улучшает нейронную запись и стимуляцию, с потенциальными применениями в кохлеарных имплантатах и интерфейсах мозг-компьютер.
Микроэлектродные матрицы (МЭМ) широко используются для регистрации активности мозга и стимуляции нервных тканей. Однако обычные МЭМ обычно плоские, что ограничивает их способность соответствовать естественным изгибам нервных структур. Существующие методы добавления трехмерных функций требуют нескольких этапов изготовления, что увеличивает сложность и ограничивает возможности проектирования.
Вдохновение для изучения
Чтобы преодолеть эти ограничения, группа под руководством доцента Джунсу Чонга и доцента Кёнсика Эома разработала μETF, вдохновленную термоформованием пластика, распространенной техникой формования пластиковых листов в различные формы. Их результаты опубликованы в журнале npj Flexible Electronics.
«Идея этого исследования возникла из простого наблюдения за пластиковыми крышками на чашках кофе на вынос. Я понял, что этот метод формования пластика можно применять на микроскопическом уровне для создания трехмерных структур для нейронных электродов», — говорит доктор Чонг.
Метод
Метод μETF включает нагревание тонкого гибкого полимерного листа, в который встроены микроэлектроды, и прижатие его к 3D-печатной форме. Исследователи использовали жидкокристаллический полимер (ЖКП) в качестве субстрата из-за его механической прочности, биосовместимости и долговременной стабильности. Этот процесс формирует точные выступающие и углубленные структуры, увеличивая близость электрода к целевым нейронам, сохраняя при этом его электрические свойства.
В отличие от традиционных подходов к микрообработке, μETF упрощает изготовление и позволяет создавать широкий спектр сложных 3D-структур, включая скважины, купола, стенки и треугольные элементы, все в пределах одного МЭА.
Приложения μETF
В концептуальном исследовании ученые применили μETF для разработки 3D MEA, оптимизированного для стимуляции сетчатки у слепых пациентов. Вычислительное моделирование и лабораторные эксперименты показали, что 3D-электроды снизили пороги стимуляции в 1,7 раза и улучшили пространственное разрешение в 2,2 раза по сравнению с традиционными плоскими электродами.
«Наши 3D-структуры приближают электроды к целевым нейронам, делая стимуляцию более эффективной и точной», — объясняет доктор Эом.
Исследователи считают, что μETF используется в различных нейронных интерфейсах, в том числе для улитки, головного мозга, спинного мозга и периферических нервов.
Помимо стимуляции сетчатки, исследователи видят, что μETF используется в различных нейронных интерфейсах, включая интерфейсы для мозга, спинного мозга, улитки и периферических нервов, отмечает доктор Чонг. Метод способен создавать разнообразные трехмерные структуры, включая колодцы, купола, стенки и треугольные элементы, что позволяет создавать индивидуальные конструкции электродов для различных нейронных сред.
Одно из перспективных будущих применений этой технологии — интерфейсы мозг-компьютер (BCI), которые могут помочь восстановить движение у парализованных пациентов. Имплантируя трехмерные нейронные электродные массивы в двигательную кору, мы могли бы декодировать нейронные сигналы и переводить их в физические действия, например, управлять роботизированными руками или инвалидными колясками.
Приложения μETF за пределами нейронных интерфейсов
Универсальность μETF выходит за рамки нейронных интерфейсов. Исследовательская группа изучает его потенциал в носимой электронике, органоидных исследованиях и системах «лаборатория на чипе», где точные 3D-микроструктуры могут улучшить функциональность устройств. Следующий шаг включает в себя совершенствование методов изготовления для более широких медицинских приложений.
Благодаря своей способности улучшать нейронную регистрацию и стимуляцию, а также упрощать изготовление, μETF представляет собой потенциальное крупное достижение в области нейропротезирования и методов нейронной реабилитации.
