211service.com
Prothetische ledematen besturen met elektrode-arrays
Om prothetische ledematen te ontwerpen met motorische controle en tastzin, hebben onderzoekers gekeken naar manieren om elektroden te verbinden met zenuwuiteinden op de arm of het been en vervolgens signalen van die zenuwen om te zetten in elektrische instructies voor het bewegen van de mechanische ledemaat. Doorgesneden zenuwcellen op een geamputeerd ledemaat kunnen echter alleen groeien als er een structuur aanwezig is om ze te ondersteunen - net zoals een latwerk een groeiende wijnstok ondersteunt. En ze zijn notoir kieskeurig over de vorm en grootte van die structuur.
Opgerolde leidingen: De microscopisch kleine kanalen in deze polymeerrol hebben de juiste maat en vorm voor bundels doorgesneden zenuwcellen om er doorheen te groeien. De steiger, aangevuld met elektroden, is bedoeld om elektrische signalen over te brengen tussen het zenuwstelsel van een geamputeerde en het prothetische ledemaat.
Cellen zijn als mensen: ze houden van meubels om in te zitten die precies de juiste maat hebben, zegt David Martin , een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Delaware. Ze zijn op zoek naar een kanaal met de 'Goldilocks'-lengteschaal - hoe ver de richels uit elkaar liggen, hoe lang ze zijn, hoe [breed] ze zijn.
Ravi Bellamkonda's lab bij Georgia Tech heeft een buisvormige ondersteuningssteiger ontworpen met kleine kanaaltjes die precies om bundels zenuwcellen passen. De groep testte onlangs de structuur met ganglioncellen van de dorsale wortel en presenteerde de resultaten eerder deze maand op de Society for Biomaterials-conferentie.
De steiger begint als een vlakke plaat met kleine groeven, vergelijkbaar met golfplaten of karton. Het wordt vervolgens opgerold om een poreuze cilinder te vormen met veel kleine kanaaltjes die geschikt zijn voor een gezonde groei van zenuwcellen. De vloeren van de leidingen fungeren als elektroden, borstelen dicht bij de zenuwbundels en pikken zenuwsignalen op. Wat anders is, is dat de patronen veel nauwkeuriger kunnen worden gecontroleerd, en de oriëntatie van de zenuwbanen is hier in wezen perfect, zegt Martin. Het is een mooi modelsysteem en het vermogen om de zenuwgroei te beheersen, is wat echt waardevol zal zijn.
Het uiteindelijke doel is om tweerichtingscommunicatie mogelijk te maken tussen het prothetische ledemaat en de drager. Uiteindelijk zou dit ontwerp de twee soorten zenuwcellen binnen een bundel kunnen scheiden, zodat neurale signalen die handbewegingen sturen langs één kanaal zouden reizen en informatie over aanraking en temperatuur van het prothetische ledemaat naar de hersenen zou gaan langs een ander kanaal. De 'jellyroll' zou [hen] in principe in staat moeten stellen om via die kanalen te selecteren - dat is voor mij waar de echte opwinding is, zegt Martin. Dat is nieuws voor de toekomst, maar je moet kunnen lopen voordat je kunt rennen.
In eerdere pogingen om neurale signalen aan te boren, hebben wetenschappers afgehakte zenuwcellen voorzien van zeefelektroden - platte metalen schijven met gaten die bedoeld zijn om zenuwen doorheen te laten groeien. Het probleem met de zeefelektrode is dat de zenuwen er niet betrouwbaar in zouden groeien, zegt Bellamkonda.
Het huidige werk aan het groeien van uitgelijnde zenuwbundels omvat schuimsteunen met poriën die geschikt zijn voor zenuwgroei, en stoffen met uitgelijnde nanovezels waarlangs zenuwen moeten groeien. Maar het jellyroll-ontwerp heeft het potentieel om een stuk beter te zijn dan de rest.
De meerkanaalssteiger zou prothetische ledematen extra behendigheid kunnen geven. Je moet zoveel mogelijk axonen kunnen stimuleren om te bewegen, en je moet signalen van zoveel mogelijk axonen kunnen opvangen, zegt Akhil Srinivasan, hoofdonderzoeker van het project. De meest geavanceerde elektroden die momenteel aan zenuwuiteinden worden gebruikt, hebben ongeveer 16 kanalen om beweging te regelen. Maar de arm heeft 22 vrijheidsgraden. Je hebt minimaal 22 betrouwbare kanalen nodig, zegt Mario Romero-Ortega , universitair hoofddocent bio-engineering aan de Universiteit van Texas, Arlington. Dat is de beperking: we hebben er maar een paar, maar je hebt er meer nodig.
De nieuwigheid, vanuit mijn perspectief, zijn de materialen die ze gebruiken [zijn degenen die ze kunnen] opschalen, zegt Romero-Ortega. Het ontwerp van de elektroderol bouwt voort op eerder werk, maar de nieuwe steiger is gemaakt van materialen die veilig zijn voor biologisch gebruik. Ze zijn de eersten die in vitro groei laten zien, zegt Romero-Ortega.
Om de microarrays te maken, wordt een laag van het polymeer polydimethylsiloxaan op een glasplaatje gelegd om een dunne, uniforme basis te creëren, en een laag van een lichtgevoelig polymeer, SU-8, wordt toegevoegd. Ultraviolet licht wordt door een rooster op de SU-8 geschenen en de delen van het oppervlak die aan het licht worden blootgesteld, hechten zich aan elkaar om muren te vormen. De losse delen ertussen worden dan weggespoeld, waarbij rij na rij leidingen achterblijven. Het gegroefde oppervlak wordt afgedekt met een tweede laag basispolymeer en de polymeersandwich wordt tot een cilinder gerold.
Tot nu toe mist de opgerolde microarray nog steeds elektroden, maar Srinivasan zegt dat de volgende stappen zullen zijn om gouden elektroden in de basis van de steiger te plaatsen. De bedrade microarray wordt vervolgens getest in een rattenmodel.
Ik vind het een slim ontwerp, zegt Dominique Durand , een professor in biomedische technologie aan de Case Western Reserve University. Ze hebben de elektroden nog steeds niet getoond, maar dat is een probleem voor een andere dag.