形状记忆材料可使医用电极更容易植入体内,也更耐用

IEEE电气电子工程师学会 2019-04-16 21:04

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让神经元与电子设备交流一直很困难——难在神经元上。植入大脑的刚性金属电极阵列会刺穿血管并驱逐支持细胞,导致身体需要用一道绝缘疤痕来掩盖阵列,从而阻止了许多输入信号通过。工程师们现在认为,形状记忆材料可以做得更好,因为可以对它们进行编程,让它们盘绕血管,像藤蔓一样在神经上攀爬。

其中一种镍钛合金材料——镍钛诺——可以根据温度轻松地变成不同的形状。先将冷却的镍钛诺弯曲到位,然后加热到临界温度,并在该温度下保持一段时间,该形状就可被编程为目标形状。此后,即使将合金弯曲成另一个形状,加热后也可变回被编程的形状。

加州大学圣迭戈分校(UCSD)杜伊古•库祖姆(Duygu Kuzum)实验室的研究人员认为,镍钛诺制成的电极可能是大脑长期植入物的理想组件。今天的常规做法是将一组针状微电极阵列压入大脑组织,令其在大脑组织中与附近的神经元相连并记录信号。这种类型已经成功应用于脑机接口,让人用意念控制机器。

然而,就像加州大学圣迭戈分校的研究生赵若宇(Ruoyu Zhao,音)12月在旧金山IEEE电子设备大会(IEDM)上向工程师们解释的那样,植入过程会撕裂大脑的血管,挤压星形胶质细胞的支持细胞,并造成其他损害。作为回应,人体会用疤痕组织将电极阵列附近的区域隔离,“导致植入物周围出现愚钝且电不活跃的区域。”他说。因此,随着时间的推移,植入物能感知的神经元数量会迅速减少。

库祖姆和她的研究小组认为,如果微电极能够绕着血管前进,身体的反应就不会那么大了。方法便是:对植入区域进行高分辨率的CT扫描,为电极绘制一条安全路径,然后对微电极进行编程,形成它们嵌入大脑时的路径形状。

该团队首先制作了一个由16个镍钛诺电极组成的电极束,每个电极的直径只有23微米。(最小的人类神经元的直径约为4微米。)然后,将这些电极安装在一个模具中,形状与电极必须通过的大脑模型的路径形状相同。在每个电极上加155毫安的电流,持续10秒,充分加热以对形状进行编程。

库祖姆的团队制造了一个注入装置,用一根直径210微米的针头注入一束微电极。他们将这个系统插入到一个3D打印的大鼠大脑模型中进行了测试。当注射器将电极推入时,用电流加热电极。这使电极形成了编程形状,围绕模型的血管弯曲。

在一项对真实小鼠大脑的测试中,电极能够区分单个神经元信号,并使植入部位的损伤最小化。然而,加州大学圣迭戈分校的团队还未能证明植入物是否能够在长时间内保持比标准微阵列更好的神经信号接收能力。库祖姆说,研究小组未来将做一年的大鼠植入试验。他们近期的目标是让电极变得更细小,也许比神经细胞体本身还要小。

库祖姆说,这项技术离人类应用还有很长一段路。但她的研究团队正在与加州大学圣迭戈分校的外科医生一起探索这一想法,将其作为脑深部刺激电极的一种可能的改进办法。脑深部刺激电极现在已用于植入治疗帕金森病。

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在中国,由清华大学和浙江大学的工程师们组成的另一个小组正在为神经而非大脑寻找一种损伤更小、更容易植入的电极。清华大学的张颖超对出席IEEE电子设备大会的工程师们介绍说,他们的项目灵感来自藤蔓爬树的方式。该小组没有使用镍钛诺,而是使用形状记忆聚合物。工作原理类似,但这种物质可由体温引发形状变化。

张颖超和他的同事们用形状记忆聚合物构建了一个100微米厚的基底,并在上面放置了一层更薄的黄金来传导神经信号。然后,他们对聚合物进行编程,将其弯曲成一个紧密的螺旋形。

在一次试验中,他们把这个装置植入了兔子的迷走神经。当未卷绕的聚合物感应到动物的体温时,它绕着神经迂回前进。然后,张颖超和他的同事通过刺激神经改变兔子的心率来测试这种联系。

曾有多家公司探索过迷走神经刺激治疗心力衰竭的办法,不过到目前为止还没有取得商业上的成功。但是,目前它被用于治疗癫痫和抗药性抑郁症,并且正在试验提高中风恢复率,以及治疗克罗恩病、偏头痛和其他疾病。

滑入你大脑和身体的电极可能看起来有点可怕,但至少它们会遵循资深医生的格言:首先要没有伤害。

文章来源:悦智网。发表在IEEE Spectrum上的英文原文可点击“阅读原文”查看。

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