Hybride nanobuis-elektroden ontwikkeld voor veiligere hersenmachine-interfaces

Braincomputer -interfaces zijn technologieën die directe communicatie tussen hersenactiviteit en externe apparaten mogelijk maken, waardoor onderzoekers in realtime hersensignalen kunnen controleren en interpreteren. Deze verbindingen omvatten vaak arrays van kleine, haarachtige elektroden die “micro-elektroden” worden genoemd die in de hersenen worden geïmplanteerd om elektrische activiteit op te nemen of te stimuleren.

Al tientallen jaren hebben micro -elektroden een uitdaging aangegaan in het balanceren van geleidbaarheid met weefselcompatibiliteit. Stijve metaal of op silicium gebaseerde elektroden maken stabiele signaalopnames mogelijk, maar beschadigen vaak de delicate hersenweefsels, terwijl zachtere polymeerelektroden schade verminderen maar last hebben van een slechte signaaloverdracht.

Bridging this gap, a research team led by Associate Professor Jong G. Ok from the Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul and Dr. Maesoon Im from Brain Science Institute, Korea Institute of Science and Technology (KIST) developed a microelectrode with three-dimensional “forests” of carbon nanotubes (CNTs) that efficiently conduct electricity like metals but also flex like soft tissue. Ingebed in een elastische polymeerbasis, zijn de arrays ongeveer 4000 keer zachter dan silicium en ongeveer 100 keer zachter dan polyimide.

De bevindingen van het onderzoek zijn online beschikbaar gesteld Geavanceerde functionele materialen op 27 juni 2025.

Om deze arrays te fabriceren, gebruikten de onderzoekers een meerstapsproces voor verticale groei van CNT’s en een eigen polymeer-CNT hybridisatietechniek. De resulterende arrays vertoonden stabiele insertie in hersenweefsels, waardoor nauwkeurige opname van de visuele reacties mogelijk werd. De arrays vertoonden ook een duidelijke vermindering van ontstekingsreacties in vergelijking met wolfraammicrowires – waardoor ze een veelbelovende optie werden voor veiligere hersentoepassingen.

“Door de verticaal uitgelijnde CNT’s te combineren met een flexibel polymeer, hebben we zowel hoge elektrische prestaties als mechanische naleving binnen één apparaat bereikt”, zegt hoofdauteur, Dr. Ok. “Deze dubbele mogelijkheid maakt een langdurige, stabiele neurale interface mogelijk zonder het omliggende weefsel te schaden.”

De in-vivo-experimenten bij muizen gevalideerden ook de capaciteit van het apparaat om door licht opgewekte reacties op te nemen van visuele cortexneuronen (visueel centrum aanwezig aan de achterkant van de hersenen). Bovendien vertoonde eenmaandelijkse implantatie van CNT-arrays een lagere activering van astrocyten en microgliale cellen (cellen die betrokken zijn bij immuunrespons) dan die waargenomen in conventionele elektroden-die de superieure langdurige compatibiliteit van CNT-arrays verlichten.

De bevindingen openen mogelijkheden voor gebruik in visuele protheses, vooral voor patiënten met netvliesdegeneratie of optische zenuwbeschadiging. Bovendien kan de technologie ook worden uitgebreid tot corticale implantaten voor hersenmachine-interfaces en hulpmiddelen voor het bestuderen van visuele verwerking in neurowetenschappen.

“Het verfijnen van deze technologie om visuele aandacht te lezen kan nieuwe kansen ontgrendelen in hersenondersteunde communicatie, retinale prothese (Bionic Eye) en meeslepende AR/VR-ervaringen”, benadrukt Dr. OK.

Op de lange termijn streven de onderzoekers ernaar de arrays op te scherpen voor subcellulaire dimensies om hersensignalen op te nemen bij hogere resoluties. Deze vorderingen kunnen bio-elektronische apparaten van de volgende generatie inspireren, waardoor het zicht wordt hersteld of verbeterd via directe hersenconnectiviteit.