Onderzoekers ontwikkelen zachte gouden nanodraden voor neurale interfaces

Goud leent zich niet zo goed voor lange, dunne draden. Maar onderzoekers aan de Universiteit van Linköping in Zweden zijn er nu in geslaagd om gouden nanodraden te maken en zachte elektroden te ontwikkelen die kunnen worden aangesloten op het zenuwstelsel. De elektroden zijn zacht als zenuwen, rekbaar en elektrisch geleidend, en zullen naar verwachting lang in het lichaam blijven.

Sommige mensen hebben een “hart van goud”, dus waarom geen “zenuwen van goud”? In de toekomst is het misschien mogelijk om dit kostbare metaal te gebruiken in zachte interfaces om elektronica te verbinden met het zenuwstelsel voor medische doeleinden.

Dergelijke technologie kan worden gebruikt om aandoeningen zoals epilepsie, de ziekte van Parkinson, verlamming of chronische pijn te verlichten. Het creëren van een interface waarbij elektronica de hersenen of andere delen van het zenuwstelsel kan ontmoeten, brengt echter speciale uitdagingen met zich mee.

“De klassieke geleiders die in elektronica worden gebruikt, zijn metalen, die erg hard en stijf zijn. De mechanische eigenschappen van het zenuwstelsel doen meer denken aan zachte gelei. Om een ​​nauwkeurige signaaloverdracht te krijgen, moeten we heel dicht bij de betreffende zenuwvezels komen, maar omdat het lichaam constant in beweging is, wordt het bereiken van nauw contact tussen iets dat hard is en iets dat zacht en kwetsbaar is, een probleem”, zegt Klas Tybrandt, hoogleraar materiaalkunde aan het Laboratorium voor Organische Elektronica aan de Universiteit van Linköping, die het onderzoek leidde.

Onderzoekers willen daarom elektroden creëren die een goede geleiding hebben en mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met de zachtheid van het lichaam. In de afgelopen jaren hebben verschillende onderzoeken aangetoond dat zachte elektroden het weefsel niet zo erg beschadigen als harde elektroden dat wel kunnen doen.

In de huidige studie heeft een groep onderzoekers van de Universiteit van Linköping gouden nanodraden ontwikkeld, duizend keer dunner dan een haar, en deze in een elastisch materiaal ingebed om zachte micro-elektroden te creëren. Het artikel, “Stretchable tissue-like gold nanowire composites with long-term stability for neural interfaces,” is gepubliceerd in het dagboek Klein.

“We zijn erin geslaagd om een ​​nieuw, beter nanomateriaal te maken van gouden nanodraden in combinatie met een heel zacht siliconenrubber. Door deze samen te laten werken, is een geleider ontstaan ​​die een hoge elektrische geleidbaarheid heeft, heel zacht is en gemaakt is van biocompatibele materialen die functioneren met het lichaam”, aldus Klas Tybrandt.

Siliconenrubber wordt gebruikt in medische implantaten, zoals borstimplantaten. De zachte elektroden bevatten ook goud en platina, metalen die veel voorkomen in medische apparaten voor klinisch gebruik.

Het maken van lange, smalle gouden nanostructuren is echter erg moeilijk. Dit was tot nu toe een groot obstakel, maar de onderzoekers hebben nu een nieuwe manier bedacht om gouden nanodraden te maken. En ze doen dit door zilveren nanodraden te gebruiken.

Omdat zilver unieke eigenschappen heeft die het een heel goed materiaal maken om het soort nanodraden te maken waar de onderzoekers naar op zoek zijn, wordt het gebruikt in sommige rekbare nanomaterialen. Het probleem met zilver is dat het chemisch reactief is. Op dezelfde manier dat zilveren bestek na verloop van tijd verkleurt wanneer er chemische reacties op het oppervlak plaatsvinden, breekt zilver in nanodraden af, waardoor er zilverionen uitlekken. Bij een voldoende hoge concentratie kunnen zilverionen giftig voor ons zijn.

Toen Laura Seufert, promovendus in de onderzoeksgroep van Klas Tybrandt, bezig was met het vinden van een manier om gouden nanodraden te synthetiseren, of te ‘kweken’, bedacht ze een nieuwe aanpak die nieuwe mogelijkheden opende.

In het begin was het moeilijk om de vorm van de nanodraden te controleren. Maar toen ontdekte ze een manier die resulteerde in heel gladde draden. In plaats van te proberen om vanaf het begin gouden nanodraden te laten groeien, begon ze met een dunne nanodraad van puur zilver.

“Omdat het mogelijk is om zilveren nanodraden te maken, maken we daar gebruik van en gebruiken we de zilveren nanodraad als een soort sjabloon waarop we goud laten groeien. De volgende stap in het proces is om het zilver te verwijderen. Als dat eenmaal is gebeurd, hebben we een materiaal dat meer dan 99 procent goud bevat. Het is dus een beetje een truc om het probleem van het maken van lange, smalle gouden nanostructuren te omzeilen,” zegt Klas Tybrandt.

In samenwerking met professor Simon Farnebo van de afdeling Biomedische en Klinische Wetenschappen aan de Universiteit van Linköping hebben de onderzoekers achter de studie aangetoond dat de zachte en elastische micro-elektroden een rattenzenuw kunnen stimuleren en daarnaast signalen van de zenuw kunnen opvangen.

In toepassingen waarbij de zachte elektronica in het lichaam moet worden ingebed, moet het materiaal lang meegaan, bij voorkeur levenslang. De onderzoekers hebben de stabiliteit van het nieuwe materiaal getest en geconcludeerd dat het minstens drie jaar meegaat, wat beter is dan veel van de nanomaterialen die tot nu toe zijn ontwikkeld.

Het onderzoeksteam werkt nu aan het verfijnen van het materiaal en het creëren van verschillende typen elektroden die nog kleiner zijn en nauwer in contact kunnen komen met zenuwcellen.