3D打印植入裝置可刺激鳥腦中的神經，有希望治療人類相關疾病
3D打印植入裝置可刺激鳥腦中的神經，有希望治療人類相關疾病
使用新的3D打印的微型可植入設備，一組研究人員成功地記錄了電脈沖，這些電脈沖驅動鳥類外周神經系統發聲。由于依賴于薄膜微細加工和納米級3D打印的定制技術，他們能夠制造出大約與人類頭發直徑相當的納米夾子。它是第一個用于記錄和刺激周圍神經的袖帶電極，其制作規模與人體最小的神經相容，可對多種疾病進行新的治療。
這項技術在2020年8月21日發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，文章描述該技術展示了俄勒岡大學Phil和Penny Knight校園神經科學加速研究的首席研究員Tim Gardner，以及波士頓大學和葛蘭素史克公司的研究人員的生物電子部門能夠以這種很小的規模制造納米夾。此外，加德納（Gardner）的研究小組描述了在將設備植入幾只成年雄性斑馬雀中后，成功記錄了驅動發聲的電脈沖。
斑馬雀科鳴鳥。 （圖片由Mehran B / Pexels提供）
根據Gardner的說法，這項研究被視為生物電子醫學新興領域的一項進展，最終可能導致針對炎癥性腸綜合癥，類風濕性關節炎和糖尿病等疾病的新療法。生物電子醫學的目標是解碼和調節周圍神經系統信號，以獲得對靶端器官和效應器的治療控制。專家認為，該領域可以通過影響身體功能來替代或補充基于藥物的干預措施，從而徹底改變醫學并顯著改善治療效果并降低醫療保健成本。盡管如此，設備小型化仍是未來生物電子醫學成功的關鍵因素之一，并且根據研究人員的研究，該領域仍然依賴于一些基于電極的設備，這些設備證明很難使用。
Gardner和他的同事建議，納米夾子可以解碼和調制在周圍神經系統中傳播的電信號，該神經系統包含控制大腦末梢器官的大腦和脊髓外部的神經和神經元細胞。此外，生物電子醫學試圖調制這些信號，以治療一些慢性病，例如哮喘，膀胱控制，高血壓，多囊卵巢綜合癥，甚至在某些COVID-19病例中具有炎癥反應。Gardne說：“我認為許多未來的設備將涉及使用標準無塵室工藝的薄膜微細加工和微米級的3D打印的結合。這適用于生物醫學植入物以及用于實驗物理學和其他領域的設備。”
使用研究小組設計的3D打印機制作了用于研究的納米夾子。 據中國3D打印網了解，這種打印機的設備制造速度比以類似分辨率運行的現有商用打印機快20倍。微型神經接口是使用定制的直接激光書寫系統制作的，該系統可以從標準的CAD文件設計中打印錨，在這種情況下，使用的是DassaultSystèmes3D設計軟件Solidworks。得益于打印速度和數字設計，研究人員可以制造具有各種尺寸和形狀的納米夾，以實現最佳的貼合度。
集成了薄膜的納米夾子神經界面的渲染，圖示出關鍵成分。 （圖片由蒂莫西·加德納/《自然通訊》雜志提供）
為了實現與小神經的大小相匹配的可植入設備，薄膜電極陣列由封裝在絕緣和生物相容性聚酰亞胺層之間的50納米金層組成。該裝置的厚度和狹窄寬度產生了與周圍組織相當的低彎曲剛度。使用聚酰亞胺薄膜微細加工技術定制制造薄膜多部位電極，然后將其絲焊到印刷電路板上以連接到測試設備。
在整個研究中使用的37只成年雄性斑馬雀科鳥類的發聲過程中，除了獲得穩定，高信噪比的神經信號記錄外，該設備還使研究人員能夠精確控制神經的輸出。他們能夠激發納米夾子內六個電觸點上不同激活空間模式的獨特發聲。該研究的作者介紹說，這種時空控制可能對未來的生物醫學植入物有用，這些生物植入物不僅試圖激活神經，而且對在終末器官中具有不同功能的神經內的特定結構具有空間選擇性。
在將納米夾子植入鳴鳥的氣管注射器神經的右側后，記錄鳥活動的方案。觸發了歌曲的采集軟件捕獲了發聲和神經活動。 （圖片由蒂莫西·加德納/《自然通訊》雜志提供）
中國3D打印網點評：該設備的關鍵特征之一是易于手術植入，這在未來的生物電子醫學中是一個重要手段。“想象一下，您必須操縱一條小神經，然后用鑷子將一個裝置纏繞在其上，以打開袖帶電極并將其定位在神經上。當前袖帶電極所需的顯微操作可能會損害最小的神經。相反，只需將3D制成的納米夾子推入神經即可將其植入。這種易于植入的方法可用于其他微創手術。這項研究確實是針對亞毫米結構的新制造方法的早期測試。
這項研究的共同作者認為，他們的納米裝置能夠為安全植入，在數周的時間內穩定地記錄高信噪比以及精確調節小周圍神經提供新的參考。盡管納米夾子的開發利用了數十年來使用的其他設備的優勢，但在這里，研究人員還是能夠結合多種因素使設備與神經緊密配合。盡管這項研究是成功的，但研究人員預計，將來有必要進一步研究其他物種和神經，以進一步驗證納米夾子的潛力。
同時進行兩個納米筆慢性記錄的方案。 （圖片由蒂莫西·加德納/《自然通訊》雜志提供）
在美國國立衛生研究院（NIH）的支持下，并與葛蘭素史克公司（GlaxoSmithKline）簽署了一項贊助研究協議，該研究表明，尺寸精確的納米夾可以實現對鳴禽系統的精確功能調節。研究的主要作者，波士頓大學研究助理教授蒂莫西·奧特奇（Timothy Otchy）及其同事展示了對末端器官的靈活，精確的控制。以外圍電路功能的閉環控制為中心的新一代生物電子療法的觸手可及，并可能成為未來幾十年推進醫療保健的關鍵。
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