Samoczynnie rozkładalna, biodegradowalna elektroda umożliwia minimalnie inwazyjne monitorowanie sygnałów mózgowych

25 sierpnia 2024 funkcja

Artykuł ten został przeglądnięty zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• zweryfikowane fakty
• publikacja z recenzją
• zaufane źródło
• sprawdzony

przez Ingrid Fadelli , Medical Xpress

Czujniki, które można łatwo i bezpiecznie wprowadzić do mózgu, mogą mieć ważne zastosowania medyczne i mogą również przyczynić się do rozwoju urządzeń łączących mózg z komputerem. Mimo znacznego postępu w rozwoju tych czujników, większość istniejących urządzeń może być wprowadzana jedynie za pomocą inwazyjnych procedur chirurgicznych, które mogą skutkować licznych powikłań.

Niedawno badacze z Uniwersytetu Narodowego w Seulu i innych instytutów w Korei Południowej stworzyli nowy elektrodowy namiot biodegradowalny i samowypinający się, który można znacznie łatwiej umieścić na powierzchni ludzkiego mózgu. Proponowany projekt elektrody, opisany w Nature Electronics, mógłby naturalnie ulegać degradacji wewnątrz ciała człowieka, nie pozostawiając żadnych pozostałości, co oznacza, że po wprowadzeniu jej do ciała nie trzeba jej usuwać chirurgicznie.

„Nasz najnowszy artykuł wynika z coraz większej świadomości wyzwań klinicznych związanych z wszczepianiem elektrod poprzez inwazyjne operacje mózgu” – powiedział Medical Xpress Seung-Kyun Kang, autor korespondujący artykułu.

„Konwencjonalne elektrody o dużym obszarze wymagają rozległej operacji usunięcia czaszki, aby zostały wszczepione do mózgu, co może stwarzać znaczne ryzyko powikłań, takich jak krwawienie, obrzęk, wyciek płynu mózgowo-rdzeniowego lub infekcja. Po użyciu, pozostawione elektrody na mózgu mogą wywołać niepożądane reakcje immunologiczne lub infekcje ze względu na tworzenie biofilmu, co wymagałoby drugiej operacji usunięcia”.

Stworzona przez zespół elektroda w kształcie namiotu to urządzenie czujnikowe o kształcie piramidy, które zazwyczaj używa się do zbierania zapisów elektroencefalograficznych (EEG) i innych danych neurofizjologicznych

„Elektroniczna elektroda-namiot, którą stworzyliśmy, może być wstrzykiwana za pomocą strzykawki w sposób minimalnie inwazyjny, by mierzyć sygnały mózgowe, a następnie może zostać skłoniona do rozpuszczenia i zniknięcia w ciele po użyciu” – powiedział Kang. „Nasza technologia jest szczególnie obiecująca dla precyzyjnej diagnostyki, np. diagnozy padaczki, a także protez neuralnych i interfejsów mózg-komputer (BCI), które wymagają łączenia z różnymi obszarami mózgu”.

Elektroda zespołu ma strukturę przypominającą namiot, która może być łatwo zapakowana i rozłożona. Urządzenie jest częściowo wykonane z polimerów pamięci kształtu; elastycznych materiałów, które mogą odzyskać swój pierwotny kształt po wyciągnięciu lub stłoczeniu wąskiego otoczenia. Wykorzystując właściwości tych materiałów, elektrody mogą więc łatwo być wprowadzone w zamknięte przestrzenie na powierzchni mózgu przez niewielką dziurę.

„Zintegrowaliśmy również biodegradowalne nieorganiczne sensory elektroniczne o grubości nanometrów na elektroniczny namiot, aby zapewnić elastyczność” – wyjaśnił Kang. „Dzięki elastyczności mechanicznej sensorów, mogliśmy dostarczyć różne urządzenia elektroniczne bez uszkodzenia sensorów podczas wstrzykiwania w celu pomiaru różnych sygnałów neurofizjologicznych z mózgu”.

Początkowe testy oceniające wydajność namiotowych elektrod zespołu pokazały, że zachowują one swoją wydajność elektryczną przez całe życie i całkowicie się rozkładają po użyciu, nie pozostawiając żadnych pozostałości. Podczas pracy sensory mogą rejestrować aktywność elektryczną wokół nich i przesyłać zebrane dane do innych urządzeń.

Ponieważ są biodegradowalne i nietoksyczne, nowe sensory opracowane przez Kanga i jego kolegów nie musiałyby być usuwane po wprowadzeniu ich do ciała człowieka. Ta cecha jest bardzo atrakcyjna dla szerokiego zakresu zastosowań w praktyce, począwszy od medycyny precyzyjnej po rozwój bezpiecznych interfejsów mózg–komputer (BCI).

„Elektroniczny namiot może być stosowany do diagnozowania padaczki, które może wymagać mapowania dużych obszarów w celu zlokalizowania dotkniętych obszarów” – powiedział Jae-Young Bae, główny autor artykułu. „Zazwyczaj napady padaczkowe angażują złożone sieci obszarów mózgu, często położonych głęboko w mózgu. Wprowadzanie elektrod do tych głębokich i wielu obszarów celem znalezienia źródeł napadu może prowadzić do poważnych uszkodzeń. Ponadto, ponieważ ataki padaczkowe nie są stałe, często konieczne jest długotrwałe monitorowanie”.

Istniejące metody diagnozowania epilepsji polegają na mapowaniu aktywności mózgu przez określony okres czasu, zazwyczaj około dwóch tygodni. Często wykonuje się to za pomocą elektrod, które mogą rejestrować to, co dzieje się w mózgu, umożliwiając lekarzom zlokalizowanie źródła napadów, których doświadczają pacjenci. Gdy lekarze zdiagnozują epilepsję lub zidentyfikują inne źródła ataków pacjenta, mogą zacząć opracowywać odpowiednie interwencje terapeutyczne. Jednakże przed tym potrzebują chirurgicznie usunąć wszczepione elektrody z mózgu pacjenta. "Nasza biodegradowalna elektroniczna namiotowa elektroda mogłaby zmniejszyć obciążenie chirurgiczne związane z wszczepianiem elektrod do mapowania dużej powierzchni i wyeliminować konieczność wtórnej operacji usunięcia," wyjaśnił Bae. 

"Elektroda w formie namiotu może zatem stanowić minimalnie inwazyjne rozwiązanie diagnostyczne w porównaniu do tradycyjnych metod, które wymagały usuwania dużych obszarów czaszki w celu włożenia elektrod." Oprócz potencjalnego ułatwienia diagnozowania epilepsji i innych schorzeń związanych z mózgiem, nowe elektrody w formie namiotu mogłyby być wykorzystane do opracowania BCI. Są to rozwijające się interfejsy, które mogłyby zwiększyć interakcje między człowiekiem a maszyną oraz pomóc w rehabilitacji medycznej pacjentów. 

"Na przykład BCI może pomóc w poprawie zdolności motorycznych u pacjentów po udarze oraz kontrolować neuroprotezy lub zewnętrzne systemy robotyczne," powiedział Bae. "Duże obszary BCI są bardziej wrażliwe i mogą umożliwić kompleksowe mapowanie obszarów mózgu, co umożliwia bardziej precyzyjną lokalizację aktywności neuronalnej, wspierając badania złożonych funkcji mózgu i poprawiając docelowość interwencji terapeutycznych. Jednakże technologia BCI stoi przed wyzwaniami związanymi z ryzykiem związanym z zabiegami inwazyjnymi. 

Oczekujemy, że elektroda w formie namiotu może zminimalizować ryzyko używania w technologii BCI." Ta najnowsza praca autorstwa Kanga i jego współpracowników wkrótce może przyczynić się do rozwoju bezpieczniejszych BCI i implantowalnych urządzeń do diagnozowania różnych stanów medycznych. W ramach ich kolejnych badań, badacze planują również zbadać możliwość wykorzystania różnych biodegradowalnych materiałów do dostarczania ukierunkowanych interwencji terapeutycznych, takich jak chemio- i fototerapia. 

"W przyszłości zamierzamy także współpracować z partnerami klinicznymi, aby przetestować naszą biodegradowalną elektroniczną technologię namiotową w zastosowaniach klinicznych," dodał Kang. "To pozwoli nam przeprowadzić próby terenowe w ustawieniach medycznych, aby ocenić wydajność i zachowanie degradacji naszej technologii poza ustawieniami laboratoryjnymi. Ostatecznie naszym celem jest włączenie tych biodegradowalnych elementów elektronicznych do urządzeń medycznych, zapewniając minimalnie inwazyjne rozwiązania diagnostyczne lub terapeutyczne." Więcej informacji: Jae-Young Bae et al, A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01216-x © 2024 Science X Network