Kontrolowanie kończyn protetycznych za pomocą macierzy elektrod

Aby zaprojektować protezy kończyn z kontrolą motoryczną i zmysłem dotyku, naukowcy szukali sposobów podłączenia elektrod do zakończeń nerwowych na ramieniu lub nodze, a następnie przetłumaczenia sygnałów z tych nerwów na elektryczne instrukcje poruszania mechaniczną kończyną. Jednak odcięte komórki nerwowe na amputowanej kończynie mogą rosnąć tylko wtedy, gdy obecna jest struktura, która je wspiera – podobnie jak krata podtrzymuje rosnącą winorośl. I notorycznie są wybredne w kwestii kształtu i wielkości tej struktury.

Peszle zwijane: Mikroskopijne kanały w tej rolce polimerowej mają odpowiedni rozmiar i kształt, aby mogły przez nie rosnąć wiązki odciętych komórek nerwowych. Rusztowanie, wzmocnione elektrodami, jest przeznaczone do przesyłania sygnałów elektrycznych między układem nerwowym osoby po amputacji a protezą kończyny.

Komórki są jak ludzie: lubią meble, w których można siedzieć w odpowiednim rozmiarze, mówi David Martin , inżynier biomedyczny na Uniwersytecie Delaware. Szukają kanału, który ma skalę długości „Złotowłosej” – jak daleko od siebie są grzbiety, jak wysokie są, jak [szerokie] są.

Ravi Bellamkonda laboratorium Georgia Tech zaprojektowało rusztowanie rurowe z maleńkimi kanałami, które ściśle przylegają do wiązek komórek nerwowych. Grupa niedawno przetestowała strukturę z komórkami zwoju korzeni grzbietowych i przedstawiła wyniki na konferencji Society for Biomaterials na początku tego miesiąca.

Rusztowanie zaczyna się jako płaski arkusz z drobnymi rowkami, podobnymi do tektury falistej lub tektury. Następnie jest zwijany, aby utworzyć porowaty cylinder z wieloma maleńkimi kanałami dostosowanymi do zdrowego wzrostu komórek nerwowych. Podłogi kanałów pełnią funkcję elektrod, zbliżając się do wiązek nerwowych i odbierając sygnały nerwowe. Różnica polega na tym, że wzorce można znacznie dokładniej kontrolować, a orientacja wiązek nerwów jest tutaj zasadniczo idealna, mówi Martin. To fajny system modelowy, a umiejętność kontrolowania wzrostu nerwów jest tym, co naprawdę będzie cenne.

Ostatecznym celem jest umożliwienie dwukierunkowej komunikacji między protezą kończyny a użytkownikiem. Ostatecznie projekt ten mógłby oddzielić dwa rodzaje komórek nerwowych w wiązce, tak że sygnały neuronowe kierujące ruchem ręki będą podróżować jednym kanałem, a informacje o dotyku i temperaturze z protezy kończyny będą przesyłane do mózgu innym kanałem. „Jellyroll” powinien w zasadzie umożliwiać [im] wybór za pośrednictwem tych kanałów – to dla mnie jest prawdziwa ekscytacja, mówi Martin. To nowość na przyszłość, ale zanim zaczniesz biegać, musisz umieć chodzić.

W poprzednich próbach wykorzystania sygnałów neuronowych naukowcy wyposażyli odcięte komórki nerwowe w elektrody sitowe – płaskie metalowe dyski z otworami przeznaczonymi do przerostu nerwów. Problem z elektrodą sitową polega na tym, że nerwy nie wrosły w nią niezawodnie, mówi Bellamkonda.

Obecne prace nad hodowaniem wyrównanych wiązek nerwów obejmują podpory piankowe z porami dostosowanymi do wzrostu nerwów oraz tkaniny z wyrównanymi nanowłókienkami, wzdłuż których mają rosnąć nerwy. Ale projekt galaretki ma potencjał, by stać się o wiele lepszy od reszty.

Rusztowanie wielokanałowe może zwiększyć sprawność protetyczną kończyn. Musisz być w stanie stymulować jak najwięcej aksonów do ruchu i musisz być w stanie odbierać sygnały z jak największej liczby aksonów, mówi Akhil Srinivasan, główny badacz projektu. Najbardziej wyrafinowane elektrody używane obecnie na zakończeniach nerwowych mają około 16 kanałów do kontrolowania ruchu. Ale ramię ma 22 stopnie swobody. Potrzebujesz co najmniej 22 niezawodnych kanałów, mówi Mario Romero-Ortega , profesor nadzwyczajny bioinżynierii na Uniwersytecie Teksańskim w Arlington. To jest ograniczenie — mamy tylko kilka, ale potrzebujesz więcej.

Nowością, z mojej perspektywy, są materiały, z których korzystają [to te, które mogą] zwiększyć, mówi Romero-Ortega. Konstrukcja rolki elektrody opiera się na wcześniejszych pracach, ale nowe rusztowanie jest wykonane z materiałów bezpiecznych do użytku biologicznego. Jako pierwsi wykazują wzrost in vitro, mówi Romero-Ortega.

Aby wykonać mikromacierze, na szkiełku kładzie się warstwę polimerowego polidimetylosiloksanu, aby utworzyć cienką, jednolitą podstawę, po czym dodaje się warstwę światłoczułego polimeru SU-8. Światło ultrafioletowe pada na SU-8 przez kratkę, a części powierzchni wystawione na działanie światła łączą się ze sobą, tworząc ściany. Niezwiązane sekcje pomiędzy nimi są następnie wypłukiwane, pozostawiając rząd za rzędem przewodów. Rowkowana powierzchnia jest pokryta drugą warstwą polimeru bazowego, a przekładka polimerowa jest zwijana w cylinder.

Jak dotąd w zwiniętej mikromacierzy wciąż brakuje elektrod, ale Srinivasan mówi, że następnym krokiem będzie włożenie złotych elektrod do podstawy rusztowania. Przewodowa mikromacierz zostanie następnie przetestowana na modelu szczurzym.

Myślę, że to sprytny projekt, mówi Dominik durand , profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Case Western Reserve. Nadal nie pokazali elektrod, ale to problem na inny dzień.

ukryć