Le système nerveux est chargé d'informations codées :pensées, émotions, contrôle moteur. Ce système dans notre corps est une énigme, et plus nous pouvons faire pour le comprendre, plus nous pouvons faire pour améliorer la vie humaine. Les interfaces cerveau-machine offrent un moyen de se connecter à ce système d'organes déroutant, y compris le cerveau. Mais parce que les appareils électroniques sont rigides, planaire, et rigide, ils causent des lésions aux tissus mous du cerveau.
Jusqu'à maintenant, il a été extrêmement difficile de développer un matériau et une méthode de fabrication suffisamment flexibles pour se fondre dans le cerveau, mais suffisamment adhésif pour rester au même endroit. Cependant, Chris Bettinger, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux et de génie biomédical à l'Université Carnegie Mellon, et son groupe ont créé un matériau hydrogel et un procédé de fabrication d'électrodes qui collent au cerveau, assorti à sa douceur, maquillage spongieux.
"Imaginez que vous ayez un bol de Jell-O, et vous insérez une fourchette en plastique rigide dans le bol et vous le déplacez, " dit Bettinger. " Ça va endommager le Jell-O, produisant des défauts et des changements structurels irréversibles. Cette situation est analogue à l'insertion d'une sonde électronique rigide dans des tissus mous tels que le cerveau de quelqu'un. C'est une combinaison de ce que nous appelons le micro-mouvement et la mécanique, qui travaillent ensemble pour non seulement endommager le cerveau, mais aussi compromettre la fonction du capteur implanté."
L'électrode rigide détecte quand les neurones sont activés et enregistre les tensions associées à ces neurones activés. Mais avec le temps, le corps interprète ce matériau comme une blessure et un corps étranger qu'il faut attaquer, dégradé, isolé, et supprimé. Des cellules inflammatoires entourent alors la sonde, perturber la force du signal des neurones dans cette zone.
Au cours des vingt dernières années, l'électronique à base de silicium est passée d'une forme rigide et plane à une forme incurvée, souple, et extensible. La rigidité de cette électronique a évolué d'être rigide comme le bois, à mince et souple comme du papier, à extensible et souple comme des élastiques. Maintenant, L'équipe de Bettinger va encore plus loin, les rendant non seulement flexibles et extensibles, mais aussi extrêmement doux et adhésif.
"Si nous pouvions fabriquer des appareils électroniques qui ont des propriétés mécaniques plus proches du 'Jell-O' plutôt que du bois ou du plastique, alors nous pouvons subrepticement interfacer des sondes neuronales avec le cerveau d'une manière plus bénigne, " dit Bettinger.
Le défi est que les processus utilisés pour fabriquer de l'électronique sophistiquée nécessitent des températures élevées (400 C ou plus), un aspirateur, et solvants exotiques, tampons, acides, et des bases pour graver des matériaux et des motifs. Aucun d'entre eux n'est compatible avec les matériaux hydrogels mous.
Pour lutter contre ces problèmes fondamentaux, Bettinger et son équipe ont créé une nouvelle façon de fabriquer l'électronique en découplant les processus de fabrication de la pièce électronique et du substrat souple dans lequel elle est intégrée. Premièrement, ils construisent la partie électronique sur un substrat compatible avec les températures élevées, solvants extrêmes, et un vide, et créer le substrat d'hydrogel séparément. Puis, ils retirent la pièce électronique de son substrat d'origine et la font adhérer au substrat d'hydrogel. L'appareil final contient une fine couche d'électronique sur une surface souple, souple, et substrat collant qui a des propriétés mécaniques similaires à celles du système nerveux.
Un autre défi consistait à créer un matériau qui était encore adhésif dans le fluide. Si le matériau ne peut pas adhérer lorsqu'il est mouillé, ce serait comme essayer de garder un pansement pendant que vous êtes dans la piscine. Pour que l'électrode fonctionne, elle doit rester au même endroit pendant une longue période. Les chercheurs ont étudié les propriétés d'animaux comme la moule bleue, qui colle aux rochers sous l'eau. Ils ont appliqué ces mêmes principes chimiques lors de la création du substrat d'hydrogel.
"Au lieu d'avoir à prendre un cerveau ou une moelle épinière, puis d'y coller quelque chose et de le blesser, " dit Bettinger, "nous pouvons le plastifier sur le dessus et éviter de blesser les tissus."
Le fait que les nœuds ne blessent pas les tissus et ne se déplacent pas signifie qu'ils sont capables d'enregistrer un signal plus fort et plus précis des neurones qui tirent. Les sondes pouvaient désormais être utilisées non seulement pour enregistrer des signaux, mais aussi pour stimuler les thérapies.
Par exemple, le réseau d'électrodes de la sonde pourrait bloquer le signal qui induit l'inflammation chez les personnes atteintes de polyarthrite rhumatoïde. Au lieu d'utiliser des analgésiques comme les opiacés, une thérapie électronique qui stimule les régions appropriées de la moelle épinière pourrait être plus ciblée et efficace, tout en évitant le risque de dépendance par rapport aux interventions pharmaceutiques. Les électrodes peuvent également être utilisées pour des applications d'enregistrement à long terme, comme tester comment un nouveau médicament pourrait affecter le cœur. Un collant, électrode douce qui peut se plier et fléchir peut encastrer le cœur, enregistrer ses contractions, et indiquer quel médicament pourrait être le plus efficace.
"Nous essayons d'améliorer la bande passante temporelle de ces sondes, en préservant la longévité du matériau. Ensuite, nous pouvons acquérir plus d'informations et maintenir un rapport signal sur bruit approprié, " a déclaré Bettinger. " Les chercheurs de plusieurs disciplines essaient d'améliorer la façon dont les appareils électroniques peuvent interagir avec le système nerveux. Nous pensons que nous contribuons à cet effort plus large en élargissant la boîte à outils des matériaux pour améliorer les performances de l'appareil."
Bettinger et son groupe collaborent avec des chercheurs en génie électrique et informatique de Carnegie Mellon et avec des chercheurs de l'Université de Pittsburgh. Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux fonctionnels avancés .
