奈米纖維碳管應用在刺穿腦組織的電極

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 25 日 11:50 | 分類 生物科技 follow us in feedly

常常在科幻片中,看到科學家在人腦插入各式各樣的電子裝置,如今已經可能存在這世上。萊斯大學(Rice University)的研究人員發明了一種裝置,此裝置能藉由快速流動的液體,將柔軟且具導電性的奈米纖維碳管插入大腦,並記錄神經元的活動。他們的研究基礎是建立在微流體技術,藉由偵測神經元訊號,來引發癲癇患者或其他疾病患者的動作,並期望能改善電極治療法。研究人員表示,利用奈米碳管和微電擊可以幫助他們更了解認知過程的機制,並建立一個直接能與大腦接觸的介面,使患者能夠看到、聽到或控制義肢。這項微流體技術已發表在美國化學學會雜誌《奈米快報》(American Chemical Society journal Nano Letters)。



此裝置的動力來源是快速移動的流體,能輕輕將絕緣纖維推進腦組織裡而不變形。這種運送方法可取代原本堅硬或尖銳的物體,即便它們有生物可分解的外膜包覆導線再送入大腦,但仍會在過程中損害敏感的腦組織。

▲ 作用機制的圖解。(Source:萊斯大學 Robinson Lab

體內實驗結果展示微流體裝置如何推動具黏滯性的流體流經細長的纖維電極。流體緩慢地將纖維向前拉過一個通向組織的小孔,一旦它進入組織,儘管導線具高彈性,仍能保持直線。

本研究的領導者、萊斯大學的工程師 Jacob Robinson 教授表示:「電極就像煮熟的麵條,而你要試著把它放入一碗果凍。如果只靠麵條本身,這是無法達成的。但如果你把它拿到自來水下沖,那麼水就會把麵條拉直,因為對彈性體而言,拉動它要比推動它更容易。」本研究共同作者、化學家 Matteo Pasquali 教授補充:「這就是為什麼列車是被拉而不是被推,也是為什麼會把馬車放在馬後面的原因。」

從事神經科學的萊斯大學電子工程師、共同作者之一的 Caleb Kemere 助理教授說:「線性物質相較於流體,流動速度緩慢。關鍵是我們並非推動整條線的末端或是特定位置,而是整個電極的橫切面,且推動的力量完全均勻分布。」

奈米纖維通過直徑 3 倍大的孔徑,這仍足以讓極少量的流體通過,但不會有任何流體會跟著進入腦組織。體外實驗中,瓊脂糖凝膠(agarose)扮演大腦的角色。這個裝置和真實組織仍有差距,因為纖維的硬度在遇到組織後必須保持不變。Robinson 教授說:「我們使用非常短的無支撐長度(unsupported length)來協助我們穿過腦組織,並利用後端流體不斷流動來保持導線和電極的硬度,直至其進入組織。」

Pasquali 教授的實驗室為奈米碳纖維的先驅,他們為了實驗訂製特殊的纖維。他表示:「一旦導線進入組織,便是處在彈性基質裡,由周圍的凝膠支持。因為是橫向支撐,所以導線不容易被纏住。」

Kemere 助理教授說:「奈米碳纖維管可在各個方向傳遞電子,但與神經元聯絡時,卻僅限於導線尖端。然而我們可以把這樣的結果視為理所當然,因為使用一種能保持導線完整性並能阻止離子進入的塗料覆蓋在導線表面。」Pasquali 實驗室的研究生 Sushma Sri Pamulapati 開發了一種特殊塗料,能完整覆蓋導線,同時將其寬度保持在 15~30 微米寬,遠低於人類頭髮的寬度。

Robinson 教授說:「一旦我們知道纖維的確切尺寸,便能找相應的裝置和它匹配。目前,我們使出口通道的直徑為電極直徑的 2 至 3 倍,並避免有過多流體通過。」

研究人員表示,這項技術的最終結果應該會不斷縮小,以便同時將多個微電極送入大腦,並使嵌入物更細小、更安全。一旦電極變小,植入過程造成的傷害便相對減小,因此能同時將更多電極放入特定區域,也能避免從其他位置植入電極。

(首圖來源:影片截圖)