Prąd i pasta do zębów – jak regulować pracę mózgu

Mózg to jeden z najdelikatniejszych, najbardziej złożonych i najbardziej tajemniczych ludzkich narządów. Każdy neuron połączony jest gęstą siecią dendrytów i aksonów z innymi, tworząc wraz z nimi skomplikowane układy czynnościowe. Niekiedy jednak ta precyzyjna struktura zawodzi – aktywność niektórych komórek nerwowych staje się zbyt silna lub zbyt słaba. Tak dzieje się np. w przypadku epilepsji, gdy nadmierne pobudzenie niektórych neuronów powoduje ataki drgawek, lub w zaburzeniach poznawczych gdy regiony mózgu odpowiedzialne za pamięć lub koncentrację pracują mniej wydajnie.

Problematyczny prąd

Naukowcy wiedzą, że istnieje możliwość regulowania aktywności komórek nerwowych za pomocą precyzyjnych impulsów elektrycznych. Opracowano niewielkie elektrody w formie implantów, które można umieścić bezpośrednio na powierzchni mózgu. Monitorują one aktywność neuronów i, w razie potrzeby, regulują ją w podobny sposób, jak działają rozruszniki serca. Istnieje jednak pewien problem. Implanty te wykonywane są zazwyczaj ze sztywnych materiałów, w tym z metalu, Z czasem mogą one stawać się przyczyną stanów zapalnych i tworzenia się blizn.

Elastyczne rozwiązanie

Dlatego też inżynierowie z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) pracują nad stworzeniem implantów, które byłyby miękkie i elastyczne. W założeniu mają one dopasowywać się do powierzchni mózgu i nie obciążać przylegającej do nich tkanki. Zespół kierowany przez prof. Xuanhe Zhao opracował sposób drukowania takich elastycznych sond neuronowych i innych urządzeń elektronicznych na drukarce 3D.

Naukowcy skupili się na możliwościach, jakie dają polimery półprzewodzące. Jest to klasa materiałów łączących elastyczność podobną do tworzyw sztucznych ze zdolnością do przewodzenia prądu właściwą metalom. Często wykorzystuje się je jako powłokę antystatyczną, gdyż z łatwością odprowadzają ładunki elektryczne gromadzące się np. na sprzęcie elektronicznym. Takie polimery łatwo jest rozpylać na płaskich powierzchniach, np. ekranach dotykowych.

Przewodząca pasta do zębów

Jednak badacze z MIT potrzebowali czegoś, co posłuży do precyzyjnego drukowania trójwymiarowych form. Zmodyfikowali więc polimer nazywany w skrócie PEDOT: PSS. Jest on dostępny w postaci ciemnoniebieskiej cieczy – mieszaniny wody i nanowłókien. Najpierw poddali ową ciecz liofilizacji, usuwając z niej wodę. Następnie zastąpili ją mieszaniną wody i opracowanego wcześniej rozpuszczalnika organicznego. Stworzyli w ten sposób hydrożel, gumowaty materiał oparty na nanowłóknach. Zawiera on od 5% do 8% nanowłókien, a jego konsystencja przypomina pastę do zębów. Taki materiał nadaje się do wykorzystania w drukarce 3D.

Aby to udowodnić, badacze wydrukowali elektrodę o wielkości kawałka konfetti. Składała się z warstwy elastycznego, przezroczystego polimeru, na którą naniesiono polimer przewodzący, tworzący cienkie linie o szerokości 10 mikronów, zbiegające się na wierzchołku. Linie te są wystarczająco cienkie, by odbierać sygnały z pojedynczych neuronów.

Mysi dowód

Naukowcy wszczepili tę maleńką elektrodę do mózgu myszy. Okazało się, że gdy zwierzę poruszało się swobodnie, sonda istotnie była w stanie wykryć aktywność pojedynczej komórki nerwowej. Monitorowanie aktywności mózgu w taki sposób pozwoli naukowcom uzyskać obraz pracy mózgu o bardzo wysokiej rozdzielczości. Może to pomóc w stworzeniu implantów, które będą mogły pozostawać w mózgu przez dłuższy czas, bez wywoływania stanów zapalnych. Badacze przypuszczają, że takie miękkie elektrody mogą być nawet skuteczniejsze niż stosowane do tej pory elektrody metalowe. Pozwoli to na opracowanie nowych strategii terapeutycznych dla złagodzenia schorzeń neurologicznych, takich jak epilepsja, choroba Parkinsona czy ciężka depresja.

Źródło:

Yuk H., Lu B., Lin S., Qu K., Xu J., Luo J., Zhao X. 3D printing of conducting polymers. Nautre Communications 2020

 

PRZECZYTAJ TEŻ:


Skomentuj

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.