Next-Gen neuronale Prothesen erfordern ein Umdenken der Materialien

John Varrasi ist ein leitender Angestellter Journalist für den American Society of Mechanical Engineers (ASME). Eignet sich dieser Artikel Form ein erschienen, die auf der ASME-Website. Varrasi trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Follow-up auf dem Erfolg der Cochlea und Netzhaut Prothesen, Neurowissenschaftler sehen einen grenzenlosen Horizont für verwandte Geräte, die elektrische lesen und chemische Signale aus dem Nervensystem zur Verbesserung der Lebensqualität für Menschen mit Verletzungen oder Krankheiten.

Solche Geräte, neuronale Prothesen helfen eine Vielzahl von Menschen, darunter auch Menschen mit Epilepsie, verwundete Kriegsveteranen, die Leiden der posttraumatischen Belastungsstörung und traumatische Hirnverletzungen, Menschen mit behandlungsresistenter Depression und chronische Schmerzen, Opfer der Alzheimer-Krankheit, Rede Behinderte und Personen, die Verletzungen des Rückenmarks und Verlust von Gliedmaßen erlitten haben.

Aber bevor neuronale Prothesen voranbringen kann, müssen Ingenieure entwerfen und fertigen Geräte, die in der rauen Umgebung des menschlichen Körpers überleben können, ohne dass Gewebe Infektion und andere ernsteren nachteiligen Bedingungen. Neben der Leistungsfähigkeit der Materialien, entwickeln Forscher Technologien für Benutzeroberflächen, die Mikro-Geräte sicher wohnen in menschlichem Gewebe für lange Zeiträume zu ermöglichen.

Forscher auf dem US-Department of Energy Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sind mit Dünnschicht-flexible Polymermaterialien Gewinne. In Experimenten mit auditiven Prothesen sind neuronale Schnittstelle Mikro-Elektroden in Polymer, wodurch das Gerät natürlich bewegen und entsprechen lebender Gewebe eingebettet. Die Polymermaterialien haben mechanische Eigenschaften, die mehr genau Nervengewebe als die Mikro Drähte in aktuellen Cochlea- und tief-Gehirn-stimulierenden Implantate verwendet imitieren.

"Unter den technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit neuronalen Prothetik ist die Biokompatibilität des Implantats," sagte Sarah Felix, ein Lead Research Engineer bei LLNL und auch ein Mitglied von ASME. "Untersuchungen zeigen, dass dieses Polymer kompatibler mit dem menschlichen Körper als das Silizium in konventionellen neuronale Sonden in Neurowissenschaften Studien verwendet wird."

In Richtung Zuverlässigkeit

Forscher glauben, dass die herkömmlichen, starren, neuronale Geräte verursachen Mikro reißen in menschlichem Gewebe, weil Nervengewebe weicher als das Gerät ist. Nach Felix mildert die Flexibilität einer Dünnschicht-Polymer-Sonde dieses Problem. Erschwert jedoch die Flexibilität auch Polymer-Geräte zu implantieren. Felix Lösung ist, vorübergehend eine starre Versteifung anzubringen.

"Für das Polymer neuronale Schnittstellen des Gerätes legen wir auf eine nadelförmige Versteifung mit Bio-auflösbare Polyethylenglykol (PEG), Gewinnung von der Versteifung nach chirurgischen einsetzen, ermöglichen", sagte Felix. "Eine innovative Klebeverfahren ermöglicht genaue Ausrichtung des Gerätes an die Versteifung."

Ein Novum des Designs ist ein flacher Kanal laufen längs, ermöglicht die gleichmäßige Verteilung der PEG oder andere Bio-Kleber, während der Montage und Implantation. Felix Team verwendet die Methode, um einzigartige, beidseitige, Polymer-Elektroden ins Hirngewebe Implantat, und diese Arrays erfolgreich neuralen Signale aufgezeichnet.

Eine vielversprechende Zukunft

Die LLNL Forscher glauben ihre Geräte und Operationsmethoden können gelten auch für zukünftige Anwendungen in tief-Gehirn - und Spinal-Schnur-Stimulation, die Ärzte, neuronale Prothesen um die nächste Stufe der menschlichen Gesundheit und Rehabilitation gelangen können. In der Tat entwickelt LLNL derzeit neuronale Implantate, die wiederhergestellt werden, auditiven, motorischen und Blasenfunktion; Hilfe Rede; und Steuern Depressionen und Epilepsie.

Jedes Jahr die US National Institute of Health (NIH) verbringt $ 6,5 Millionen auf neuronale Prothesen Forschung und Entwicklung und heute einige der renommiertesten medizinischen Forschungseinrichtungen in den USA – Case Western University und das Massachusetts Institute of Technology unter ihnen — sind vielversprechende klinische Studien beteiligt.

Viele Mediziner glauben, der Himmel ist die Grenze für neuronale Prothesen, aber letztlich ist es der engineering-Community, die zu entwerfen und fertigen Geräte, mit denen die Umsetzung des Versprechens der neuronalen Modulation für Patienten benötigen. [Eternal Sunshine of the Bionic Mind: Prothese könnte Speicher wiederherstellen]

Felix sagte: "Es gibt viele technische Überlegungen mit neuronalen Prothetik, vor allem in der Schnittstelle des Gerätes mit menschlichem Gewebe. Ingenieure müssen über eine komplette Palette von Themen, von Elektrodenmaterialien und die Lebensdauer des Implantats, Elektronik und Signalverarbeitung nachdenken. Ein faszinierender Weg multidisziplinäre wissenschaftliche und technische Entwicklung für viele Jahre zu kommen werden."

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