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将导电纳米纤维碳管插入大脑,记录神经元活动

时间:2018-01-26 作者:Technews 阅读:
“电极就像煮熟的面条,而你要试着把它放入一碗果冻。如果只靠面条本身,这是无法达成的。但如果你把它拿到自来水下冲,那么水就会把面条拉直,因为对弹性体而言,拉动它要比推动它更容易。”

常常在科幻片中,看到科学家在人脑插入各式各样的电子设备,如今已经可能存在这世上。莱斯大学(Rice University)的研究人员发明了一种设备,此设备能借由快速流动的液体,将柔软且具导电性的纳米纤维碳管插入大脑,并记录神经元的活动。他们的研究基础是建立在微流体技术,借由侦测神经元讯号,来引发癫痫患者或其他疾病患者的动作,并期望能改善电极治疗法。研究人员表示,利用碳纳米管和微电击可以帮助他们更了解认知过程的机制,并建立一个直接能与大脑接触的界面,使患者能够看到、听到或控制义肢。这项微流体技术已发布在美国化学学会杂志《纳米快报》(American Chemical Society journal Nano Letters)。

此设备的动力来源是快速移动的流体,能轻轻将绝缘纤维推进脑组织里而不变形。这种运送方法可取代原本坚硬或尖锐的物体,即便它们有生物可分解的外膜包覆导线再送入大脑,但仍会在过程中损害敏感的脑组织。
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▲ 作用机制的图解。(Source:莱斯大学 Robinson Lab)

体内实验结果展示微流体设备如何推动具黏滞性的流体流经细长的纤维电极。流体缓慢地将纤维向前拉过一个通向组织的小孔,一旦它进入组织,尽管导线具高弹性,仍能保持直线。

本研究的领导者、莱斯大学的工程师 Jacob Robinson 教授表示:“电极就像煮熟的面条,而你要试着把它放入一碗果冻。如果只靠面条本身,这是无法达成的。但如果你把它拿到自来水下冲,那么水就会把面条拉直,因为对弹性体而言,拉动它要比推动它更容易。”本研究共同作者、化学家 Matteo Pasquali 教授补充:“这就是为什么列车是被拉而不是被推,也是为什么会把马车放在马后面的原因。”
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从事神经科学的莱斯大学电子工程师、共同作者之一的 Caleb Kemere 助理教授说:“线性物质相较于流体,流动速度缓慢。关键是我们并非推动整条线的末端或是特定位置,而是整个电极的横切面,且推动的力量完全均匀分布。”

纳米纤维通过直径 3 倍大的孔径,这仍足以让极少量的流体通过,但不会有任何流体会跟着进入脑组织。体外实验中,琼脂糖凝胶(agarose)扮演大脑的角色。这个设备和真实组织仍有差距,因为纤维的硬度在遇到组织后必须保持不变。Robinson 教授说:“我们使用非常短的无支撑长度(unsupported length)来协助我们穿过脑组织,并利用后端流体不断流动来保持导线和电极的硬度,直至其进入组织。”

Pasquali 教授的实验室为纳米碳纤维的先驱,他们为了实验订制特殊的纤维。他表示:“一旦导线进入组织,便是处在弹性基质里,由周围的凝胶支持。因为是横向支撑,所以导线不容易被缠住。”

Kemere 助理教授说:“纳米碳纤维管可在各个方向传递电子,但与神经元联络时,却仅限于导线尖端。然而我们可以把这样的结果视为理所当然,因为使用一种能保持导线完整性并能阻止离子进入的涂料覆盖在导线表面。”Pasquali 实验室的研究生 Sushma Sri Pamulapati 开发了一种特殊涂料,能完整覆盖导线,同时将其宽度保持在 15~30 微米宽,远低于人类头发的宽度。

Robinson 教授说:“一旦我们知道纤维的确切尺寸,便能找相应的设备和它匹配。目前,我们使出口通道的直径为电极直径的 2 至 3 倍,并避免有过多流体通过。”

研究人员表示,这项技术的最终结果应该会不断缩小,以便同时将多个微电极送入大脑,并使嵌入物更细小、更安全。一旦电极变小,植入过程造成的伤害便相对减小,因此能同时将更多电极放入特定区域,也能避免从其他位置植入电极。

原文微信公众号:technews2013,已获授权转载, 链接:http://technews.cn/2018/01/25/nanotubes-go-with-the-flow-to-penetrate-brain-tissue/

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