Wetenschappers maken nieuwe 3D-neuroproben op basis van door Kirigami geïnspireerde plooien

Een onderzoeksteam van het Institute of Biological Information Processing (IBI-3) bij Forschungszentrum Jülich, die samenwerkt met partners in heel Duitsland, heeft een innovatieve techniek ontwikkeld voor het opvouwen van flexibele, micro-elektroden met hoge dichtheid in driedimensionale vormen geïnspireerd door de Japanse papieren artikelen van Kirigami.

Kirigami is een variatie van origami, de traditionele Japanse kunst van papieren vouwen. In tegenstelling tot Origami omvat Kirigami ook het knippen van het papier-het mogelijk maken van ingewikkelde, driedimensionale ontwerpen om uit het platte oppervlak te komen, allemaal zonder lijm.

Deze vooruitgang stelt onderzoekers in staat om hersenactiviteit niet alleen aan het oppervlak, maar ook diep in neuraal weefsel te registreren. De technologie is veelbelovend voor neurowetenschappen en, op langere termijn, voor neurotechnologische toepassingen in de geneeskunde. De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

Van platte film tot 3D -herseninterface

De zogenaamde 3D-micro-elektrode-arrays (maten) zijn gemaakt van ultrathine, flexibele polymeerfilms. Met behulp van een op maat gemaakte thermische vormtechniek die bekend staat als “matched-die vorming”, worden de films gevormd in rechtopstaande, vrijstaande structuren. Elk is smaller dan een menselijk haar, uitgerust met meerdere elektroden, en in staat om tegelijkertijd elektrische signalen uit verschillende hersenlagen op te nemen.

“In tegenstelling tot eerdere methoden, stelt onze aanpak ons ​​in staat om tot 128 van deze structuren in één keer te vouwen – efficiënt, betrouwbaar en zonder giftige materialen of gecompliceerde fabricagestappen”, legt Marie Jung uit, hoofdauteur van de studie en doctoraatsonderzoeker bij Jülich.

Niet alleen is de techniek eenvoudig, het is ook schaalbaar – een belangrijke mijlpaal op het pad naar klinisch gebruik in neurotechnologie.

Kirigami, tot de micrometer

Traditionele 3D -staten vertrouwen op rigide materialen zoals silicium, of vereisen ingewikkelde handmatige vouwen. De nieuwe aanpak is daarentegen gebaseerd op flexibele, biocompatibele materialen die het risico op nadelige weefselreacties minimaliseren. Het team gebruikt een polymeerfilm slechts een paar micrometers dik – zo soepel als huishoudfilm, maar toch robuust genoeg om als een hersensonde te functioneren. Eenmaal geplaatst tussen een aangepast vormpaar, wordt de platte structuur omgezet in de uiteindelijke 3D -vorm met behulp van warmte en druk.

“Wat me blijft verrassen”, zegt Viviana Rincón Montes, overeenkomstige auteur en wetenschapper bij IBI-3, “is hoe goed een techniek is ontworpen voor macroscopische vormgeving-zoals compressiemolding-kan worden verkleind om zo nauwkeurig te werken op het microscopisch niveau.

Van labbank tot levend brein

Het team heeft eerst hun sondes door rigoureuze laboratoriumtests geplaatst om hun elektrochemische prestaties, vouwnauwkeurigheid en mechanische duurzaamheid te beoordelen. Ze werden vervolgens getest op hersenplakken van epilepsiepatiënten en in levende muizen. De sondes legden met succes signalen vast, zowel aan het oppervlak als dieper in de hersenen – inclusief epileptiforme activiteit in menselijk weefsel en sensorische reacties op aanraking en licht in het diermodel.

Met zijn hoge ruimtelijke resolutie, implantatieproces en flexibiliteit met één stap, wordt de technologie gezien als bijzonder veelbelovend voor interfaces van hersencomputer en toekomstige therapeutische toepassingen.

Vooruitkijkend: medische toepassingen aan de horizon

Op de langere termijn kan deze technologie de weg vrijmaken voor visuele protheses en andere neurotechnologische innovaties. Het grote aantal geïntegreerde elektroden maakt niet alleen gedetailleerde opname van de hersensignaal mogelijk, maar kan ook gerichte stimulatie mogelijk maken – bijvoorbeeld in het netvlies of visuele cortex.

“We werken nu om de elektrodecoating verder te optimaliseren en het circuit te miniatureren”, zegt Rincón Montes. “Ons doel is om een ​​implantaat te creëren dat zo klein, licht en efficiënt mogelijk is – een die betrouwbaar alle 512 elektroden of meer kan lezen.”

Hoewel er nog een lange weg vooruit is voordat klinisch gebruik realiteit wordt, legt dit werk een solide basis-het combineren van geavanceerde technologie met precisie-vakmanschap op een microscopische schaal.