Självdeployerbar, nedbrytbar elektrod erbjuder minimalt invasiv övervakning av hjärnsignaler

25 augusti 2024 inslag

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Sensorer som enkelt och säkert kan introduceras i hjärnan kan ha viktiga medicinska tillämpningar och kan också bidra till utvecklingen av hjärnanslutningsenheter. Även om betydande framsteg har gjorts mot utvecklingen av dessa sensorer, kan de flesta befintliga enheter endast användas via invasiva kirurgiska ingrepp som kan ha många komplikationer.

Forskare vid Seoul National University och andra institut i Sydkorea skapade nyligen en ny biologiskt nedbrytbar och självutfällbar tältelektrod som kan vara mycket lättare att sätta in på ytan av den mänskliga hjärnan. Deras föreslagna elektroddesign, som beskrivs i Nature Electronics, kan naturligt brytas ned inuti människokroppen utan att lämna några rester, vilket innebär att när den väl har satts in i kroppen behöver den inte avlägsnas kirurgiskt.

"Vårt senaste papper föddes ur en växande medvetenhet om de kliniska utmaningarna kopplade till implantation av elektroder via invasiv hjärnkirurgi," sa Seung-Kyun Kang, motsvarande författare till tidningen, till Medical Xpress.

"Konventionella elektroder med stor yta kräver omfattande operation för att avlägsna skallen för att implanteras i hjärnan, vilket kan innebära betydande risker för komplikationer som blödning, svullnad, läckage av likvor eller infektion. Efter användning kan överblivna elektroder på hjärnan utlösa oönskade immunreaktioner eller infektioner på grund av biofilmbildning, vilket kräver en sekundär operation för borttagning.'

Tältelektroden som skapats av teamet är en avkänningsenhet med pyramidform, som vanligtvis används för att samla in elektroencefalografi (EEG)-inspelningar och andra neurofysiologiska data.

"Den elektroniska tältelektroden som vi utvecklade kan användas med en spruta på ett minimalt invasivt sätt för att mäta hjärnans signaler, och kan sedan uppmanas att lösas upp och försvinna i kroppen efter användning," sa Kang. "Vår teknik är särskilt lovande för exakt diagnostik, såsom diagnos av epilepsi, såväl som neurala proteser och hjärn-datorgränssnitt (BCI) som kräver gränssnitt med olika hjärnregioner."

Teamets elektrod har en tältliknande struktur som enkelt kan packas och fällas ut. Enheten är delvis gjord av formminnespolymerer; flexibla material som kan återställa sin ursprungliga form efter att de har dragits eller pressats in i en smal omslutning. Genom att utnyttja egenskaperna hos dessa material kan elektroderna således enkelt införas i trånga utrymmen i hjärnans yta genom ett litet hål.

"Vi integrerade också biologiskt nedbrytbara oorganiska elektroniska sensorer med nanometertjocklek på ett elektroniskt tält för att ge flexibilitet," förklarade Kang. "På grund av sensorernas mekaniska flexibilitet kunde vi leverera olika elektroniska enheter utan att skada sensorerna under injektion för att mäta olika neurofysiologiska signaler från hjärnan."

Inledande tester som bedömde prestandan hos teamets tältelektroder visade att de kan behålla sin elektriska prestanda under hela sin livslängd och bryts ner helt efter användning utan att lämna några rester. Medan de är i drift kan sensorerna registrera elektrisk aktivitet runt dem och överföra data som de samlar in till andra enheter.

Eftersom de är biologiskt nedbrytbara och icke-giftiga behöver de nya sensorerna som utvecklats av Kang och hans kollegor inte tas bort efter att de har introducerats i människokroppen. Denna funktion är mycket tilltalande för ett brett utbud av verkliga tillämpningar, allt från precisionsmedicin till utvecklingen av säkra hjärn-dator-gränssnitt (BCI).

"Det elektroniska tältet kan användas för att diagnostisera epilepsi, vilket kan kräva kartläggning av stora områden för att lokalisera drabbade områden", säger Jae-Young Bae, huvudförfattare till tidningen. "I allmänhet engagerar epileptiska anfall komplicerade nätverk av hjärnregioner, ofta belägna djupt inne i hjärnan. Att föra in elektroder i dessa djupa och flera områden för att lokalisera anfallsursprung kan leda till avsevärd skada. Dessutom, eftersom anfall inte är konstanta, krävs ofta utökad övervakning.'

Befintliga metoder för att diagnostisera epilepsi innebär kartläggning av hjärnaktivitet under bestämda tidsperioder, vanligtvis cirka två veckor. Detta görs ofta med hjälp av elektroder som kan fånga vad som händer i hjärnan, vilket gör att läkare kan lokalisera ursprunget till de anfall som patienter upplevt.

När läkare har kunnat diagnostisera epilepsi eller identifierat andra källor till en patients anfall, kan de börja utarbeta lämpliga terapeutiska insatser. Innan dess måste de dock kirurgiskt avlägsna de implanterade elektroderna från patientens hjärna.