Jest to pojęcie, które mogło pochodzić ze stron powieści science-fiction - urządzenie elektroniczne, które można wstrzyknąć bezpośrednio do mózgu lub innych części ciała i leczyć wszystko, od zaburzeń neurodegeneracyjnych po paraliż.

Brzmi mało prawdopodobnie, dopóki nie odwiedzisz laboratorium Charlesa Liebera.

Kierowany przez Liebera, profesora chemii Marka Hymana Jr., międzynarodowy zespół naukowców opracował metodę wytwarzania nanoskalowych rusztowań elektronicznych, które można wstrzykiwać za pomocą strzykawki. Rusztowania można następnie podłączyć do urządzeń i wykorzystać do monitorowania aktywności neuronów, stymulacji tkanek, a nawet promowania regeneracji neuronów. Badania zostały opisane w artykule z 8 czerwca w Nature Nanotechnology.

Współautorami pracy są Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo i Ying Fang.

"Czuję, że ma to potencjał, aby być rewolucyjnym" - powiedział Lieber, który ma wspólne stanowisko w Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences. "Otwiera to zupełnie nową granicę, w której możemy badać interfejs między strukturami elektronicznymi a biologią. Przez ostatnie 30 lat ludzie wprowadzali stopniowe ulepszenia w technikach mikroprodukcji, które pozwoliły nam zmniejszać sztywne sondy, ale nikt nie zajął się tym problemem - interfejsem elektroniki / komórkowej - na poziomie, na którym działa biologia. "

We wcześniejszych badaniach naukowcy z laboratorium Liebera wykazali, że komórki sercowe lub nerwowe wyhodowane z osadzonymi rusztowaniami mogą być wykorzystane do stworzenia tkanki "cyborga". Naukowcy byli następnie w stanie rejestrować sygnały elektryczne generowane przez tkankę i mierzyć zmiany w tych sygnałach podczas podawania leków kardio- lub neurostymulujących.

"Byliśmy w stanie wykazać, że możemy zrobić to rusztowanie i komórki hodowlane w nim, ale tak naprawdę nie mieliśmy pojęcia, jak wprowadzić to do wcześniej istniejącej tkanki" - powiedział Lieber. "Ale jeśli chcesz badać mózg lub rozwijać narzędzia do eksploracji interfejsu mózg-maszyna, musisz wbić coś w ciało. Po całkowitym wypuszczeniu elektronicznego rusztowania z podłoża produkcyjnego zauważyliśmy, że jest ono prawie niewidoczne i bardzo elastyczne, jak polimer, i może być dosłownie zassane do szklanej igły lub pipety. Stamtąd po prostu zapytaliśmy: "Czy byłoby możliwe dostarczenie elektroniki siatkowej przez wstrzyknięcie igły strzykawki?"

Chociaż nie jest to pierwsza próba wszczepienia elektroniki do mózgu - głęboka stymulacja mózgu była stosowana w leczeniu różnych zaburzeń od dziesięcioleci - nanowykonane rusztowania działają na zupełnie inną skalę.

"Istniejące techniki są prymitywne w stosunku do sposobu, w jaki mózg jest okablowany" - powiedział Lieber. "Niezależnie od tego, czy jest to sonda krzemowa, czy elastyczne polimery ... Powodują stan zapalny w tkance, który wymaga okresowej zmiany pozycji lub stymulacji.

"Ale z naszą elektroniką do wstrzykiwania jest tak, jakby w ogóle jej nie było. Są milion razy bardziej elastyczne niż jakakolwiek najnowocześniejsza elastyczna elektronika i mają rozmiary cech subkomórkowych. Są tym, co nazywam "neurofilnymi" – tak naprawdę lubią wchodzić w interakcje z neuronami. "

Proces wytwarzania rusztowań jest podobny do tego stosowanego do trawienia mikroczipów i rozpoczyna się od rozpuszczalnej warstwy osadzonej na podłożu. Aby stworzyć rusztowanie, naukowcy układają siatkę nanodrutów umieszczonych w warstwach polimeru organicznego. Pierwsza warstwa jest następnie rozpuszczana, pozostawiając elastyczną siatkę, którą można wciągnąć do igły i podać jak każdy inny zastrzyk.

Wejście-wyjście siatki można następnie podłączyć do standardowej elektroniki pomiarowej, dzięki czemu zintegrowane urządzenia mogą być adresowane i wykorzystywane do stymulowania lub rejestrowania aktywności neuronowej.

"Tego typu rzeczy nigdy wcześniej nie były robione, zarówno z fundamentalnej neuronauki, jak i perspektywy medycznej" - powiedział Lieber. "To naprawdę ekscytujące - istnieje wiele potencjalnych zastosowań."

Idąc dalej, naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć, w jaki sposób organizm reaguje na wstrzykiwaną elektronikę przez dłuższy czas.

Harvard's Office of Technology Development złożyło wniosek o tymczasowy patent na technologię i aktywnie poszukuje możliwości komercjalizacji.

"Pomysł precyzyjnego pozycjonowania i rejestrowania z bardzo określonych obszarów, a nawet z określonych neuronów przez dłuższy czas - to może, jak sądzę, mieć ogromny wpływ na neuronaukę" - powiedział Lieber.