Un fluide en mouvement rapide tire une fibre à travers un dispositif microfluidique pour être inséré dans le tissu cérébral. Le dispositif inventé à l'Université Rice pourrait fournir une méthode plus douce pour implanter des fils chez les patients atteints de maladies neurologiques et aider les scientifiques à explorer les processus cognitifs et à développer des implants pour aider les gens à voir, entendre et contrôler les membres artificiels. Crédit :Robinson Lab
Des chercheurs de l'Université Rice ont inventé un dispositif qui utilise des fluides rapides pour insérer des flexibles, fibres conductrices de nanotubes de carbone dans le cerveau, où ils peuvent aider à enregistrer les actions des neurones.
La technique basée sur la microfluidique de l'équipe Rice promet d'améliorer les thérapies qui reposent sur des électrodes pour détecter les signaux neuronaux et déclencher des actions chez les patients atteints d'épilepsie et d'autres conditions.
Finalement, les chercheurs ont dit, les électrodes à base de nanotubes pourraient aider les scientifiques à découvrir les mécanismes derrière les processus cognitifs et à créer des interfaces directes avec le cerveau qui permettront aux patients de voir, entendre ou contrôler des membres artificiels.
L'appareil utilise la force appliquée par des fluides en mouvement rapide qui font avancer doucement les fibres flexibles isolées dans le tissu cérébral sans se déformer. Ce mode de livraison pourrait remplacer les navettes dures ou rigides, gaines biodégradables utilisées maintenant pour livrer des fils dans le cerveau. Les deux peuvent endommager les tissus sensibles en cours de route.
La technologie fait l'objet d'un article dans la revue American Chemical Society Lettres nano .
Des expériences en laboratoire et in vivo ont montré comment les dispositifs microfluidiques forcent un fluide visqueux à s'écouler autour d'une électrode en fibre mince. Le fluide en mouvement rapide tire lentement la fibre vers l'avant à travers une petite ouverture qui mène au tissu. Une fois qu'il traverse le tissu, les tests ont montré le fil, bien que très flexible, reste droit.
"L'électrode est comme une nouille cuite que vous essayez de mettre dans un bol de Jell-O, " a déclaré l'ingénieur de Rice Jacob Robinson, l'un des trois chefs de projet. "Par lui-même, ça ne marche pas. Mais si vous mettez cette nouille sous l'eau courante, l'eau tire la nouille droite."
Le fil se déplace lentement par rapport à la vitesse du fluide. "La chose importante est que nous ne poussons pas sur le bout du fil ou à un endroit individuel, " a déclaré le co-auteur Caleb Kemere, un ingénieur électricien et informatique Rice spécialisé en neurosciences. "Nous tirons sur toute la section transversale de l'électrode et la force est complètement répartie."
"Il est plus facile de tirer des choses flexibles que de les pousser, ", a déclaré Robinson.
"C'est pourquoi les trains sont tirés, pas poussé, " a déclaré le chimiste Matteo Pasquali, un co-auteur. "C'est pourquoi vous voulez mettre la charrue derrière les bœufs."
La fibre se déplace à travers une ouverture d'environ trois fois sa taille mais suffisamment petite pour laisser passer très peu de fluide. Robinson a déclaré qu'aucun liquide ne suit le fil dans le tissu cérébral (ou, dans les expériences, le gel d'agarose qui a servi de substitut cérébral).
Des chercheurs de l'Université Rice ont développé une méthode utilisant la microfluidique pour implanter des conducteurs, mince, fibres flexibles dans le tissu cérébral. Les fils implantés pourraient aider les patients atteints de maladies neurologiques et aider les scientifiques à explorer les processus cognitifs et à développer des implants pour aider les gens à voir, entendre et contrôler les membres artificiels. Crédit :Robinson Lab
Il y a un petit espace entre l'appareil et le tissu, dit Robinson. La petite longueur de fibre dans l'espace reste en place comme une moustache qui reste raide avant de devenir une mèche de cheveux. "Nous utilisons ce très court, longueur non prise en charge pour nous permettre de pénétrer dans le cerveau et d'utiliser le flux de fluide à l'arrière pour maintenir l'électrode rigide lorsque nous la déplaçons dans le tissu, " il a dit.
"Une fois que le fil est dans le tissu, c'est dans une matrice élastique, soutenu tout autour par le matériau en gel, " dit Pasquali, un pionnier de la fibre de nanotubes de carbone dont le laboratoire a fabriqué une fibre personnalisée pour le projet. "Il est soutenu latéralement, donc le fil ne peut pas facilement se déformer."
Les fibres de nanotubes de carbone conduisent les électrons dans toutes les directions, mais pour communiquer avec les neurones, ils peuvent être conducteurs à la pointe seulement, dit Kemere. "Nous tenons l'isolation pour acquise. Mais recouvrir un fil de nanotube de quelque chose qui maintiendra son intégrité et empêchera les ions d'entrer le long du côté n'est pas trivial, " il a dit.
Sushma Sri Pamulapati, un étudiant diplômé du laboratoire de Pasquali, a développé une méthode pour enrober une fibre de nanotube de carbone tout en la maintenant entre 15 et 30 microns de large, bien en dessous de la largeur d'un cheveu humain. « Une fois que nous connaissions la taille de la fibre, nous avons fabriqué l'appareil pour lui correspondre, ", a déclaré Robinson. "Il s'est avéré que nous pouvions faire en sorte que le canal de sortie fasse deux ou trois fois le diamètre de l'électrode sans laisser passer beaucoup de liquide."
Les chercheurs ont déclaré que leur technologie pourrait éventuellement être mise à l'échelle pour introduire dans le cerveau à la fois plusieurs microélectrodes étroitement emballées; cela rendrait l'implantation des implants plus sûre et plus facile. "Parce que nous créons moins de dégâts pendant le processus d'implantation, nous pourrions peut-être mettre plus d'électrodes dans une région particulière qu'avec d'autres approches, ", a déclaré Robinson.
