Zelf-inzetbare, biologisch afbreekbare elektrode biedt minimaal invasieve monitoring van hersensignalen

25 augustus 2024 functie

Dit artikel is gecontroleerd volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• feitengecheckt
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecontroleerd op spelling

door Ingrid Fadelli , Medical Xpress

Sensoren die gemakkelijk en veilig in de hersenen kunnen worden geïntroduceerd, kunnen belangrijke medische toepassingen hebben en ook bijdragen aan de ontwikkeling van hersen-interfacingsapparaten. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in de ontwikkeling van deze sensoren, kunnen de meeste bestaande apparaten alleen worden ingezet via invasieve chirurgische procedures die tal van complicaties kunnen hebben.

Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Seoel en andere instituten in Zuid-Korea hebben onlangs een nieuwe biologisch afbreekbare en zelf-ontvouwbare tent-elektrode gecreëerd die veel gemakkelijker op het oppervlak van de menselijke hersenen kan worden ingebracht. Hun voorgestelde elektrode-ontwerp, beschreven in Nature Electronics, kan van nature afbreken in het menselijk lichaam zonder enig residu achter te laten, wat betekent dat nadat het in het lichaam is ingebracht, het niet chirurgisch hoeft te worden verwijderd.

'Ons recente artikel is ontstaan vanuit een groeiend bewustzijn van de klinische uitdagingen die gepaard gaan met de implantatie van elektroden via invasieve hersenchirurgie,' vertelde Seung-Kyun Kang, corresponderend auteur van het artikel, aan Medical Xpress.

'Conventionele elektroden met een groot oppervlak vereisen uitgebreide schedelverwijderingsoperaties om op de hersenen te implanteren, wat aanzienlijke risico's op complicaties zoals bloedingen, zwellingen, lekkage van hersenvocht of infectie met zich mee kan brengen. Na gebruik kunnen overgebleven elektroden op de hersenen ongewenste immuunreacties of infecties veroorzaken door de vorming van biofilm, wat een secundaire operatie voor verwijdering vereist.'

De tent-elektrode die door het team is gecreëerd, is een sensorisch apparaat met een piramidale vorm, die meestal wordt gebruikt voor het verzamelen van elektro-encefalografie (EEG) -opnames en andere neurofysiologische gegevens.

'De door ons ontwikkelde elektronische tent-elektrode kan worden ingezet met behulp van een spuit op een minimaal invasieve manier om hersensignalen te meten, en kan na gebruik worden opgelost en verdwijnen in het lichaam,' zei Kang. 'Onze technologie is bijzonder veelbelovend voor precieze diagnostiek, zoals de diagnose van epilepsie, evenals neurale prothesen en hersen-computerinterfaces (BCI) die interfacing met verschillende hersengebieden vereisen.'

De elektrode van het team heeft een tentachtige structuur die gemakkelijk kan worden verpakt en uitgevouwen. Het apparaat is deels gemaakt van vormgeheugenkunststoffen; flexibele materialen die hun oorspronkelijke vorm kunnen herstellen nadat ze in een smalle behuizing zijn getrokken of samengeperst. Door gebruik te maken van de eigenschappen van deze materialen, kunnen de elektroden dus gemakkelijk worden geïntroduceerd in afgesloten ruimtes binnen het hersenoppervlak via een klein gaatje.

'We hebben ook biologisch afbreekbare anorganische elektronische sensoren met nanometerdikte geïntegreerd op een elektronische tent om flexibiliteit te bieden,' legt Kang uit. 'Dankzij de mechanische flexibiliteit van de sensoren konden we verschillende elektronische apparaten leveren zonder schade aan de sensoren tijdens injectie om verschillende neurofysiologische signalen van de hersenen te meten.'

Initiële tests die de prestaties van de tentelektroden van het team beoordelen, toonden aan dat ze hun elektrische prestaties gedurende hun levensduur kunnen behouden en volledig kunnen afbreken na gebruik zonder enig residu achter te laten. Terwijl ze actief zijn, kunnen de sensoren elektrische activiteit om hen heen registreren en de verzamelde gegevens doorsturen naar andere apparaten.

Omdat ze biologisch afbreekbaar en niet-giftig zijn, zouden de nieuwe sensoren ontwikkeld door Kang en zijn collega's niet verwijderd hoeven te worden nadat ze binnen het menselijk lichaam zijn geïntroduceerd. Dit kenmerk is zeer aantrekkelijk voor een breed scala van real-world toepassingen, variërend van precisiegeneeskunde tot de ontwikkeling van veilige hersen-computerinterfaces (BCI's).

'De elektronische tent kan worden gebruikt voor het diagnosticeren van epilepsie, wat grote-oppervlakte mapping kan vereisen voor het lokaliseren van getroffen gebieden,' zei Jae-Young Bae, eerste auteur van het artikel. 'Over het algemeen betrekken epileptische aanvallen complexe netwerken van hersenregio's, vaak diep in de hersenen gelegen. Elektroden in deze diepe en meerdere regio's inbrengen om de oorsprong van aanvallen te bepalen kan leiden tot aanzienlijke schade. Bovendien is er vaak langdurige monitoring nodig omdat aanvallen niet constant zijn.'

Bestaande methoden om epilepsie te diagnosticeren omvatten het in kaart brengen van hersenactiviteit gedurende bepaalde perioden, meestal ongeveer twee weken. Dit wordt vaak gedaan met behulp van elektroden die kunnen vastleggen wat er in de hersenen gebeurt, waardoor artsen de oorsprong van de aanvallen die patiënten ervaren kunnen lokaliseren.

Zodra artsen epilepsie hebben kunnen diagnosticeren of andere bronnen van de aanvallen van een patiënt hebben geïdentificeerd, kunnen ze beginnen met het bedenken van geschikte therapeutische ingrepen. Voorafgaand hieraan moeten ze echter de geïmplanteerde elektroden chirurgisch verwijderen uit de hersenen van de patiënt.

'Onze biologisch afbreekbare elektronische tent kan de chirurgische belasting verminderen die gepaard gaat met de implantatie van grootschalige mapping-elektroden en de noodzaak voor secundaire verwijderingschirurgie elimineren,' legde Bae uit. 'De tentelektrode kan dus een minimaal invasieve diagnostische oplossing bieden in vergelijking met traditionele methoden die grootschalige schedelverwijdering vereisten voor elektrode-inbreng.'

Naast het mogelijk vergemakkelijken van de diagnose van epilepsie en andere aandoeningen die verband houden met de hersenen, zouden de nieuwe tentelektroden kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van BCI's. Dit zijn opkomende interfaces die mens-machine interacties kunnen verbeteren en kunnen helpen bij de medische revalidatie van patiënten.

'BCI kan bijvoorbeeld helpen bij motorisch herstel voor beroerte patiënten en neuroprothesen of externe robotica systemen controleren,' zei Bae. 'Grootschalige BCI's zijn gevoeliger en kunnen de uitgebreide mapping van hersenregio's mogelijk maken, waardoor een nauwkeurigere lokaliseren van neurale activiteit mogelijk is, wat de studie van complexe hersenfuncties bevordert en het richten van therapeutische ingrepen verbetert. BCI-technologie kampt echter met risico's die gepaard gaan met invasieve procedures. We verwachten dat de tentelektrode het risico van gebruik in BCI-technologie kan minimaliseren.'

Dit recente werk van Kang en zijn collega's zou binnenkort kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van veiligere BCI's en implanteerbare apparaten voor het diagnosticeren van verschillende medische aandoeningen. Als onderdeel van hun volgende studies, zijn de onderzoekers ook van plan om de mogelijkheid te onderzoeken om verschillende bioafbreekbare materialen te gebruiken voor het leveren van gerichte therapeutische ingrepen, zoals chemo- en fototherapie.

'In de toekomst zijn we ook van plan om samen te werken met klinische partners om onze biologisch afbreekbare elektronische tenttechnologie te testen in klinische toepassingen,' voegde Kang toe. 'Dit stelt ons in staat om veldproeven uit te voeren in medische omgevingen om de prestaties en de degradatie van onze technologie buiten laboratoriumomgevingen te beoordelen. Uiteindelijk is ons doel om deze biologisch afbreekbare elektronica te integreren in medische apparaten, waardoor minimaal invasieve diagnostische of therapeutische oplossingen worden geboden.'

Meer informatie: Jae-Young Bae et al, Een biologisch afbreekbare en zelfontplooiende elektronische tentelektrode voor interfacing met de hersenschors, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01216-x

© 2024 Science X Network