Нанотрубки проникают в мозговую ткань с помощью потока жидкости

Исследователи из Университета Райса создали устройство, которое использует быстродвижущиеся жидкости для введения гибких проводящих углеродных нанотрубочных волокон в мозг, где они могут помочь регистрировать активность нейронов.

Новая технология на основе микрофлюидики может улучшить терапии, полагающиеся на электроды для считывания нейронных сигналов и запуска действий у пациентов с эпилепсией и другими состояниями.

В перспективе такие электроды могут помочь учёным понять механизмы когнитивных процессов и создать прямые интерфейсы с мозгом, позволяющие пациентам видеть, слышать или управлять искусственными конечностями.

Устройство использует силу, прикладываемую быстродвижущейся жидкостью, которая мягко продвигает изолированные гибкие волокна в ткань мозга без изгиба. Этот метод доставки может заменить жёсткие направляющие или негнущиеся биоразлагаемые оболочки, используемые сейчас, которые могут повреждать чувствительную ткань.

Технология описана в статье в журнале Американского химического общества Nano Letters.

Эксперименты in vitro и in vivo показали, как микрофлюидное устройство заставляет вязкую жидкость обтекать тонкий волоконный электрод. Быстрый поток жидкости медленно тянет волокно вперёд через небольшое отверстие, ведущее к ткани. Попав в ткань, гибкий провод остаётся прямым.

"Электрод похож на варёную лапшу, которую вы пытаетесь поместить в чашку с желе. Сам по себе он не работает. Но если поместить эту лапшу под струю воды, вода вытягивает её прямо", — объяснил инженер Джейкоб Робинсон.

Провод движется медленно относительно скорости жидкости. Сила прикладывается не к концу провода, а распределяется по всему его поперечному сечению.

Волокно проходит через отверстие примерно в три раза больше его диаметра, но достаточно маленькое, чтобы пропускать очень мало жидкости. Жидкость не следует за проводом в ткань мозга (или в агарозный гель, использовавшийся в экспериментах как модель мозга).

Между устройством и тканью есть небольшой зазор. Короткий участок волокна в этом зазоре остаётся прямым, как ус, прежде чем превратиться в мягкий волос. Поток жидкости на заднем конце поддерживает жёсткость электрода при продвижении в ткань.

"Попав в ткань, провод оказывается в упругой матрице, поддерживаемый со всех сторон гелевым материалом. Он поддерживается латерально, поэтому не может легко изогнуться", — отметил химик Маттео Паскуали, пионер в создании углеродных нанотрубочных волокон.

Углеродные нанотрубочные волокна проводят электроны во всех направлениях, но для коммуникации с нейронами проводимой должна быть только их кончик. Студентка Сущма Шри Памулапати разработала метод покрытия волокна изоляцией, сохраняя его диаметр от 15 до 30 микрон (меньше ширины человеческого волоса).

Исследователи отмечают, что технологию можно масштабировать для одновременной доставки в мозг нескольких плотно упакованных микроэлектродов, что сделает имплантацию безопаснее и проще. Меньшее повреждение при имплантации позволит разместить больше электродов в определённой области, чем при использовании других подходов.