211service.com
Styring af protetiske lemmer med elektrodearrays
For at designe protetiske lemmer med motorisk kontrol og følesans har forskere kigget på måder at forbinde elektroder til nerveender på armen eller benet og derefter oversætte signaler fra disse nerver til elektriske instruktioner til at bevæge det mekaniske lem. Imidlertid kan afskårne nerveceller på et amputeret lem kun vokse, hvis der er en struktur til stede til at understøtte dem - på samme måde som et espalier understøtter en voksende vinstok. Og de er notorisk nøjeregnende med formen og størrelsen af den struktur.
Oprullede rør: De mikroskopiske kanaler i denne polymerrulle har den rigtige størrelse og form til, at bundter af afskårne nerveceller kan vokse gennem dem. Stilladset, forstærket med elektroder, er beregnet til at transmittere elektriske signaler mellem en amputerets nervesystem og proteselem.
Celler er som mennesker: de kan lide møbler at sidde i, der har den helt rigtige størrelse, siger David Martin , en biomedicinsk ingeniør ved University of Delaware. De leder efter en kanal, der har 'Goldilocks'-længdeskalaen - hvor langt fra hinanden er højdedragene, hvor høje de er, hvor [brede] de er.
Ravi Bellamkonda laboratoriet hos Georgia Tech har designet et rørformet støttestillads med bittesmå kanaler, der passer tæt omkring bundter af nerveceller. Gruppen testede for nylig strukturen med dorsale rodganglieceller og præsenterede resultaterne på Society for Biomaterials-konferencen tidligere på måneden.
Stilladset begynder som en flad plade med bittesmå riller, der ligner bølgeblik eller pap. Det rulles derefter til en porøs cylinder med mange bittesmå kanaler, der er egnede til sund nervecellevækst. Gulvene i ledningerne fungerer som elektroder, børster tæt på nervebundterne og opfanger nervesignaler. Det, der er anderledes, er, at mønstrene kan styres meget mere præcist, og orienteringen af nervebundterne er i det væsentlige perfekt her, siger Martin. Det er et flot modelsystem, og evnen til at kontrollere nervevækst er det, der virkelig kommer til at være værdifuldt.
Det ultimative mål er at muliggøre tovejskommunikation mellem protesedelen og bæreren. Til sidst kunne dette design adskille de to slags nerveceller i et bundt, så neurale signaler, der dirigerer håndbevægelser, ville rejse langs en kanal, og information om berøring og temperatur fra proteselemmet ville rejse til hjernen langs en anden kanal. 'Jellyroll'en skal i princippet give [dem] mulighed for at vælge gennem de kanaler - det er for mig, hvor den virkelige spænding er, siger Martin. Det er nyheder for fremtiden, men du skal kunne gå, før du kan løbe.
I tidligere forsøg på at udnytte neurale signaler har forskere udstyret afskårne nerveceller med sigteelektroder - flade metalskiver med huller beregnet til, at nerver kan vokse igennem. Problemet med sigteelektroden er, at nerverne ikke ville vokse pålideligt ind i den, siger Bellamkonda.
Nuværende arbejde med at dyrke justerede nervebundter omfatter skumstøtter med porer, der er egnede til nervevækst, og stoffer med justerede nanofibre, langs hvilke nerver er beregnet til at vokse. Men jellyroll-designet har potentialet til at være et skær over resten.
Flerkanalstilladset kunne give ekstra fingerfærdighed til protetiske lemmer. Man skal kunne stimulere så mange axoner som muligt til bevægelse, og man skal kunne opfange signaler fra så mange axoner som muligt, siger Akhil Srinivasan, primærforsker på projektet. Den mest sofistikerede af de elektroder, der i øjeblikket bruges ved nerveender, har omkring 16 kanaler til at kontrollere bevægelse. Men armen har 22 frihedsgrader. Du har brug for mindst 22 pålidelige kanaler, siger Mario Romero-Ortega , lektor i bioteknik ved University of Texas, Arlington. Det er begrænsningen - vi har kun nogle få, men du har brug for flere.
Det nye, set fra mit perspektiv, er de materialer, de bruger [er dem, de kan] skalere op, siger Romero-Ortega. Elektrode-rulle-designet bygger på tidligere arbejde, men det nye stillads er lavet af materialer, der er sikre til biologisk brug. De er de første til at vise in vitro vækst, siger Romero-Ortega.
For at lave mikroarrayerne lægges et lag af polymeren polydimethylsiloxan på et objektglas for at skabe en tynd, ensartet base, og et lag af en lysfølsom polymer, SU-8, tilsættes. Ultraviolet lys skinner på SU-8 gennem et gitter, og de dele af overfladen, der udsættes for lyset, binder sig sammen og danner vægge. De ubundne sektioner derimellem vaskes derefter væk og efterlader række på række af ledninger. Den rillede overflade er dækket af et andet lag af basispolymer, og polymersandwichen rulles ind i en cylinder.
Indtil videre mangler det sammenrullede mikroarray stadig elektroder, men Srinivasan siger, at de næste skridt vil være at indsætte guldelektroder i bunden af stilladset. Det kablede mikroarray vil derefter blive testet i en rottemodel.
Jeg synes, det er et smart design, siger Dominique durand , professor i biomedicinsk teknik ved Case Western Reserve University. De har stadig ikke vist elektroderne, men det er et problem for en anden dag.