211service.com
Kontroll av proteser med elektroduppsättningar
För att designa proteser med motorisk kontroll och känsel har forskare tittat på sätt att ansluta elektroder till nervändarna på armen eller benet och sedan översätta signaler från dessa nerver till elektriska instruktioner för att flytta den mekaniska lemmen. Men avskurna nervceller på en amputerad lem kan bara växa om en struktur finns för att stödja dem - ungefär som en spaljé stöder en växande vinstock. Och de är notoriskt noga med formen och storleken på den strukturen.
Ringade ledningar: De mikroskopiska kanalerna i denna polymerrulle har rätt storlek och form för buntar av avskurna nervceller att växa genom dem. Ställningen, förstärkt med elektroder, är avsedd att överföra elektriska signaler mellan en amputerads nervsystem och proteser.
Celler är som människor: de gillar möbler att sitta i som har precis rätt storlek, säger de David Martin , en biomedicinsk ingenjör vid University of Delaware. De letar efter en kanal som har 'Goldilocks'-längdskalan – hur långt ifrån varandra åsarna är, hur höga de är, hur [breda] de är.
Ravi Bellamkondas lab vid Georgia Tech har designat en rörformad stödställning med små kanaler som passar tätt runt buntar av nervceller. Gruppen testade nyligen strukturen med dorsala rotganglionceller och presenterade resultaten vid Society for Biomaterials-konferensen tidigare denna månad.
Ställningen börjar som en platt plåt med små spår, liknande korrugerad plåt eller kartong. Den rullas sedan för att bilda en porös cylinder med många små kanaler lämpade för sund nervcellstillväxt. Ledningarnas golv fungerar som elektroder, borstar upp nära nervknippena och fångar upp nervsignaler. Det som skiljer sig är att mönstren kan kontrolleras mycket mer exakt, och orienteringen av nervknippena är i princip perfekt här, säger Martin. Det är ett trevligt modellsystem, och förmågan att kontrollera nervtillväxt är det som verkligen kommer att vara värdefullt.
Det yttersta målet är att möjliggöra tvåvägskommunikation mellan protesen och bäraren. Så småningom kunde den här designen separera de två typerna av nervceller i en bunt, så neurala signaler som styr handrörelser skulle färdas längs en kanal och information om beröring och temperatur från den protetiska extremiteten skulle färdas till hjärnan längs en annan kanal. 'Jellyrollen' borde i princip tillåta [dem] att välja genom de kanalerna – för mig är det där den verkliga spänningen finns, säger Martin. Det är nyheter för framtiden, men du måste kunna gå innan du kan springa.
I tidigare försök att utnyttja neurala signaler har forskare utrustat avskurna nervceller med siktelektroder - platta metallskivor med hål avsedda för nerver att växa igenom. Problemet med siktelektroden är att nerverna inte skulle växa in i den på ett tillförlitligt sätt, säger Bellamkonda.
Pågående arbete med att odla uppriktade nervknippen inkluderar skumstöd med porer som är lämpliga för nervtillväxt och tyger med inriktade nanofibrer längs vilka nerver är avsedda att växa. Men jellyroll-designen har potential att vara ett snitt över resten.
Flerkanalsställningen skulle kunna ge extra fingerfärdighet till protesproteser. Man måste kunna stimulera så många axoner som möjligt för rörelse, och man måste kunna fånga upp signaler från så många axoner som möjligt, säger Akhil Srinivasan, primärforskare på projektet. Den mest sofistikerade av de elektroder som för närvarande används vid nervändar har cirka 16 kanaler för att kontrollera rörelser. Men armen har 22 frihetsgrader. Du behöver minst 22 pålitliga kanaler, säger Mario Romero-Ortega , docent i bioteknik vid University of Texas, Arlington. Det är begränsningen – vi har bara ett fåtal, men du behöver fler.
Nyheten, ur mitt perspektiv, är materialen de använder [är sådana de kan] skala upp, säger Romero-Ortega. Elektrodrulldesignen bygger på tidigare arbeten, men den nya ställningen är gjord av material som är säkra för biologiskt bruk. De är de första som visar tillväxt in vitro, säger Romero-Ortega.
För att göra mikromatriserna läggs ett skikt av polymeren polydimetylsiloxan på en glasskiva för att skapa en tunn, enhetlig bas, och ett lager av en ljuskänslig polymer, SU-8, läggs till. Ultraviolett ljus lyser på SU-8 genom ett galler, och de delar av ytan som utsätts för ljuset binds samman för att bilda väggar. De obundna sektionerna däremellan tvättas sedan bort och lämnar efter sig rad på rad av ledningar. Den räfflade ytan täcks med ett andra lager av baspolymer, och polymersandwichen rullas till en cylinder.
Än så länge saknar den upprullade mikromatrisen fortfarande elektroder, men Srinivasan säger att nästa steg kommer att vara att sätta in guldelektroder i basen av ställningen. Den trådbundna mikroarrayen kommer sedan att testas i en råttmodell.
Jag tycker att det är en smart design, säger Dominique durand , professor i biomedicinsk teknik vid Case Western Reserve University. De har fortfarande inte visat elektroderna, men det är ett problem för en annan dag.