Nieuwe metaalvrije hydrogelelektroden buigen om in de vele vormen van het lichaam te passen, waardoor schade aan organen wordt voorkomen

Arrays van metalen elektroden worden vaak gebruikt in medische procedures die monitoring of het afgeven van elektrische impulsen in het lichaam vereisen, zoals hersenchirurgie en epilepsiekartering. De metalen en plastic materialen waaruit ze bestaan, zijn echter stijf en onbuigzaam, terwijl de weefsels van het lichaam zacht en kneedbaar zijn. Deze mismatch beperkt de plaatsen waar elektrode-arrays met succes kunnen worden gebruikt, en vereist ook de toepassing van een grote hoeveelheid elektrische stroom om de opening tussen een elektrode en zijn doel te “overbruggen”.

Geïnspireerd door de unieke fysieke eigenschappen van levende menselijke weefsels heeft een team van wetenschappers van het Wyss Institute van Harvard en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) flexibele, metaalvrije elektrode-arrays gecreëerd die nauw aansluiten bij de talloze vormen van het lichaam , van de diepe plooien van de hersenen tot de fibreuze zenuwen van het hart. Door deze nauwe omhelzing kunnen elektrische impulsen worden geregistreerd en gestimuleerd met lagere vereiste spanningen, kunnen ze worden gebruikt op moeilijk bereikbare plaatsen van het lichaam en wordt het risico op schade aan gevoelige organen geminimaliseerd.

“Onze op hydrogel gebaseerde elektroden nemen prachtig de vorm aan van het weefsel waarop ze worden geplaatst, en openen de deur naar de gemakkelijke creatie van minder invasieve, gepersonaliseerde medische apparaten”, zegt eerste auteur Christina Tringides, een afgestudeerde student aan het Wyss Institute en Harvard Biofysica-programma. De prestatie wordt gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie.

Een medisch hulpmiddel geïnspireerd op het menselijk lichaam

Een van de kenmerken van alle levende weefsels, met name de hersenen en het ruggenmerg, is dat ze “visco-elastisch” zijn – dat wil zeggen, ze zullen terugveren naar hun oorspronkelijke vorm als er druk op wordt uitgeoefend en vervolgens worden losgelaten, maar ze zullen permanent vervormen tot een nieuwe vorm als er continu druk wordt uitgeoefend. Een veelvoorkomend voorbeeld is oormeting, waarbij het plaatsen van een grotere en grotere maat in een doorboord oor het gat in de oorlel na verloop van tijd uitrekt.

Tringides en haar team realiseerden zich dat alginaathydrogels, die aan het Wyss Institute zijn ontwikkeld voor een aantal functies, waaronder chirurgische kleefstoffen en eencellige inkapseling, ook visco-elastisch zijn en redeneerden dat ze in staat zouden moeten zijn om ze af te stemmen op de visco-elasticiteit van weefsels. Gezien haar achtergrond in neurale engineering, besloot Tringides te proberen volledig visco-elastische elektroden te maken die de visco-elasticiteit van de hersenen zouden kunnen evenaren voor veiligere en effectievere neuro-elektrische monitoring. Standaardelektroden zijn gemaakt van metalen geleidende arrays in een dunne plastic film en zijn tot een miljoen keer stijver dan de hersenen.

De eerste taak van het team was om te testen of hun alginaathydrogels zich met succes konden aanpassen aan levende weefsels. Na te hebben geëxperimenteerd met verschillende soorten hydrogels, kwamen ze tot een versie die het meest overeenkwam met de mechanische eigenschappen van hersen- en hartweefsel. Vervolgens plaatsten ze hun hydrogel op een nep “brein” gemaakt van gelatine-achtige agarose, en vergeleken de prestaties met die van een plastic materiaal en een elastisch materiaal.

De alginaathydrogel had twee keer zoveel contact met het onderliggende nepbrein in vergelijking met de andere materialen, en was zelfs in staat om in enkele van de vele diepe groeven van de hersenen te komen. Toen ze de materialen twee weken op de nephersenen lieten liggen, was het elastische materiaal aanzienlijk verplaatst van zijn oorspronkelijke locatie en sprong het onmiddellijk terug in zijn oorspronkelijke vorm toen het van het onderliggende nepweefsel werd verwijderd. De alginaathydrogel daarentegen bleef de hele tijd op zijn plaats en behield zijn hersenachtige vorm na verwijdering.

Meegaan met de stroom

Nu het team een ​​materiaal had dat kon buigen en rond weefsels kon vloeien, moesten ze een elektrode uitvinden die hetzelfde kon doen. De overgrote meerderheid van elektroden is gemaakt van metaal omdat metalen zeer elektrisch geleidend zijn, maar ook erg stijf en onbuigzaam.

Na vele experimenten en late nachten in het laboratorium, identificeerde het team een ​​combinatie van grafeenvlokken en koolstofnanobuisjes als hun topkandidaat. “Een deel van het voordeel van deze materialen is hun lange en smalle vorm. Het is een beetje alsof je een doos ongekookte spaghetti op de grond gooit – omdat de noedels allemaal lang en dun zijn, zullen ze elkaar waarschijnlijk op meerdere punten kruisen. Als je iets korter en ronder op de grond gooit, zoals rijst, zullen veel van de korrels elkaar helemaal niet raken,” zei Tringides.

Toen deze spaghetti-achtige materialen werden ingebed in de alginaathydrogels, baanden ze zich een weg door de gel om poreuze, geleidende paden te creëren waardoor elektriciteit kon reizen. Deze flexibele elektroden kunnen meer dan 180 graden worden gebogen en in knopen worden vastgemaakt zonder te breken, waardoor ze een perfecte partner zijn voor de visco-elastische alginaathydrogel.

Om het allemaal samen te voegen, omringde het team hun nieuwe geleidende elektrode met een isolerende laag van een zelfherstellend siliconenpolymeer genaamd PDMS, dat vervolgens werd ingeklemd tussen twee lagen van de alginaathydrogel. Het resulterende apparaat was zeer flexibel en kon tot 10 keer zijn lengte worden uitgerekt zonder te breken of te scheuren. Toen levende hersencellen zoals astrocyten en neuronen op de apparaten werden gekweekt, vertoonden de cellen geen schade of andere negatieve effecten, wat suggereert dat het apparaat veilig op levende weefsels kan worden gebruikt.

Een alternatieve array voor veiligere operaties

Het team testte vervolgens hun nieuwe visco-elastische elektrode-array in reële omstandigheden door deze aan een muizenhart te bevestigen. Het apparaat bleef op zijn plaats op het weefsel terwijl het bewoog en bleef intact gedurende tienduizenden spiercontracties. De onderzoekers schalen vervolgens op en bevestigden hun apparaat aan een rattenbrein, een rattenhart en een koeienhart, die allemaal geen schade ondervonden en geen wegglijden van het apparaat, zelfs niet wanneer het meer dan 180 graden was gebogen. Daarentegen bleef een commerciële elektrode-array niet in contact met het koehart wanneer deze meer dan 90 graden werd gebogen.

Ten slotte werd de visco-elastische elektrode-array met succes gebruikt om zowel zenuwen te stimuleren als elektrische activiteit in vivo vast te leggen. Toen het apparaat aan het achterbeen van een levende muis was bevestigd, stimuleerden de onderzoekers met succes verschillende spieren om samen te trekken door te variëren welke van de verschillende elektroden de stimulatie afleverden. Vervolgens bevestigden ze hun apparaat tijdens operaties aan het hart van een muis en de hersenen van een rat. De elektrische activiteit van het hart en de hersenen werd met succes geregistreerd door het apparaat, dat werd gebogen om zich op moeilijk bereikbare plaatsen te hechten en de dieren tijdens het gebruik geen letsel toebracht.

“De visco-elasticiteit van dit apparaat markeert een nieuwe richting in medische apparaten, die doorgaans zijn ontworpen om puur elastisch te zijn”, zegt de corresponderende auteur Dave Mooney, Ph.D., een Wyss Core Faculty-lid en leider van de Immuno-Materials van het Instituut. platform. “Door de tegenovergestelde benadering te volgen, kunnen we veel nauwer communiceren met de lichaamsweefsels, waardoor een meer functionele interface mogelijk wordt zonder het weefsel te beschadigen.” Mooney is ook de Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering bij SEAS.

Het team blijft hun apparaten ontwikkelen en werkt momenteel aan het valideren ervan in grotere dieren in vivo met als uiteindelijk doel ze beschikbaar te maken voor gebruik tijdens medische procedures zoals operaties voor het verwijderen van hersentumoren en het in kaart brengen van epilepsie. Ze hopen ook dat deze nieuwe technologie elektrische registratie en stimulatie mogelijk zal maken in delen van het lichaam die momenteel niet toegankelijk zijn voor in de handel verkrijgbare apparaten.

“Ik ben dol op het out-of-the-box denken dat dit team gebruikte om het probleem van halfstijve elektroden aan te pakken door de veronderstelling ter discussie te stellen dat ze van metaal en massief plastic moesten zijn gemaakt om effectief te zijn. Dit soort ontwerpdenken, probleem oplossing en waardering voor het belang van het afstemmen van de mechanica van levende systemen is wat we bij het Wyss Institute proberen te cultiveren en aan te moedigen, en dit is een goed voorbeeld van de voordelen die daaruit kunnen worden geplukt, “zei Don Ingber, MD , Ph.D., de oprichter van het Wyss Institute.