Electrozi bio personalizați îmbunătățesc monitorizarea semnalelor cerebrale și compatibilitatea
Electrozii bio concepuți pentru a se adapta perfect la suprafața cerebrală a unei persoane ar putea avansa interfețele neurale pentru monitorizarea și tratamentul bolilor neurodegenerative, conform unui nou studiu realizat de cercetătorii de la Penn State.
Interfețele neurale sunt alimentate de senzori mici capabili să urmărească semnalele biofizice, cunoscuți sub denumirea de bioelectrozi. Acești senzori sunt, de obicei, fabricați din materiale rigide și au un design standardizat, care întâmpină dificultăți în a se adapta structurii complexe a creierului. Cercetătorii au dezvoltat o abordare inovatoare de imprimare 3D a bioelectroziilor care pot să se întindă și să se deformeze pentru a se adapta la micile diferențe care fac fiecare creier unic.
În cadrul studiului, echipa a utilizat software pentru a simula creiere detaliate bazate pe scanările RMN realizate pe 21 de pacienți umani, modelând un set de electrozi adaptați la structurile specifice ale creierelor înainte de a-i imprima 3D și a crea modele ale creierului. Într-o lucrare publicată în Advanced Materials, aceștia au raportat că electrozii lor se potrivesc mai bine structurii creierului decât designurile tradiționale, rămânând în același timp eficienți și biocompatibili, chiar și în teste efectuate pe șobolani.
Foliile din creierul uman sunt create printr-un proces cunoscut sub numele de gyrification, unde foaia corticală de pe peretele exterior al creierului se înghesuie în creste, numite gyri, și în fante, numite sulci. Aceasta ajută celulele din întreaga cerebel să comunice rapid și permite ca un organ relativ mare să se potrivească compact în craniu – un creier adult răspândit ar avea aproximativ 2.000 de centimetri pătrați, adică dimensiunea a două pizza mari.
Deși principalele pliuri corticale sunt consistente între indivizi, aranjamentul precis al gyri și sulci variază semnificativ de la o persoană la alta, conform lui Tao Zhou. Cu toate acestea, designurile tradiționale de bioelectrozi nu iau în considerare acest aspect.
„Fiecare persoană are o structură cerebrală diferită, în funcție de înălțime, greutate, vârstă, sex și multe altele”, a spus Zhou. „Cu toate acestea, încercăm să adaptăm interfețele neurale pe creiere ca și cum ar avea structuri identice. Acest lucru ne-a motivat să creăm electrozi adaptați fiecărui individ, pe baza structurii creierului său.”
Electrozii sunt construiți în principal dintr-un material bogat în apă, cunoscut sub numele de hidrogel, pentru a se potrivi mai bine cu țesuturile moi și geometria specifică pacientului a creierului. În plus, echipa a folosit o structură inovatoare inspirată de fagure, care oferă flexibilitate și rezistență, rămânând totodată rentabilă și rapidă pentru imprimare.
„Structura în fagure ne ajută să reducem semnificativ rigiditatea electrozilor, fără a compromite puterea lor mecanică”, a explicat Zhou. „Mai mult, structura ne ajută să reducem materialul total utilizat în timpul fabricării, reducând astfel timpul de producție, costurile și impactul asupra mediului.”
Procesul de producție începe prin realizarea unei scanări RMN a creierului pacientului, care este utilizată pentru a efectua o analiză prin elemente finite – un proces ce creează o simulare detaliată a structurii neuronale a unei persoane. Această analiză este apoi transformată într-un model 3D al creierului pacientului, unde echipa folosește software pentru a adapta un bioelectrod specific, modelat pentru a se potrivi cu crestele și fantele cortexului cerebral.
După modelare, echipa imprimă 3D electrozii de hidrogel folosind imprimarea cu cerneală directă, o tehnică ce poate crea electrozi capabili să monitorizeze și să transmită semnale cerebrale pe o suprafață relativ mică. Pentru acest studiu, echipa a imprimat 3D modele ale creierelor a 21 de participanți diferiți, aplicând electrozii și măsurând fizic cât de bine se potrivesc electrozii cu suprafața cerebrală. Zhou a explicat cum abordările tradiționale de fabricație necesită facilități specializate, cum ar fi camere curate, făcându-le extrem de costisitoare pentru personalizare – imprimarea 3D permite echipei să personalizeze și să fabrice electrozi mult mai repede, la o fracțiune din preț.
Comparativ cu abordările tradiționale, electrozii pe bază de hidrogel se conformează mai precis structurii creierului. Zhou a afirmat că abordarea lor produce electrozi care prezintă o conectivitate aproape perfectă la semnalele electrice prezente în creier. În plus, deoarece gelul elastic este atât de maleabil, acesta poate fi aplicat pe țesutul cerebral moale fără a provoca daune, spre deosebire de materialele rigide din alte designuri care ar putea afecta țesutul.
Conform lui Zhou, moliciunea electrozilor permite un contact mai apropiat și mai stabil cu creierul, facilitând astfel o monitorizare de calitate superioară și mai fiabilă. În plus, bioelectrozii fabricați cu această abordare nu afectează transportul fluidelor în jurul creierului, un aspect critic al funcției cerebrale pe care multe electrozi tradiționali îl perturbă.
„Personalizarea electrozilor la structura specifică a creierului îmbunătățește semnificativ fiabilitatea lor”, a declarat Zhou. „Pentru că se conformează mai bine creierului, calitatea semnalului este semnificativ îmbunătățită.”
Pentru a studia și mai bine electrozii lor, echipa i-a plasat pe creierele unor modele de șobolani pe o perioadă de 28 de zile. Șobolanii nu au prezentat nicio reacție imună la electrozii imprimați, un aspect esențial în dezvoltarea biodevitelor, a precizat Zhou. În plus, electrozii nu au prezentat degradare a performanței, oferind în același timp citiri sensibile și precise ale semnalelor electrice și fiziologice din creier.
Zhou consideră că această metodă de imprimare ar putea servi ca un cadru pentru imprimarea la scară comercială a bioelectroziilor personalizați pentru pacienți specifici. Deși aceste sisteme sunt utilizate în mod tradițional pentru monitorizarea activității neuronale, echipa intenționează să exploreze modul în care electrozii personalizați pot contribui la tratamentele neurologice.
„Căutăm să îmbunătățim în continuare această tehnologie pentru a optimiza electrozii pentru a monitoriza boli specifice”, a spus Zhou. „În viitor, ne-ar plăcea cu adevărat să colaborăm cu pacienții pentru a vedea cum această abordare ar putea susține monitorizarea creierului și tratamentele pentru boli în mediile clinice.”
