3D打印植入装置可刺激鸟脑中的神经，有希望治疗人类相关疾病
3D打印植入装置可刺激鸟脑中的神经，有希望治疗人类相关疾病
使用新的3D打印的微型可植入设备，一组研究人员成功地记录了电脉冲，这些电脉冲驱动鸟类外周神经系统发声。由于依赖于薄膜微细加工和纳米级3D打印的定制技术，他们能够制造出大约与人类头发直径相当的纳米夹子。它是第一个用于记录和刺激周围神经的袖带电极，其制作规模与人体最小的神经相容，可对多种疾病进行新的治疗。
这项技术在2020年8月21日发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上，文章描述该技术展示了俄勒冈大学Phil和Penny Knight校园神经科学加速研究的首席研究员Tim Gardner，以及波士顿大学和葛兰素史克公司的研究人员的生物电子部门能够以这种很小的规模制造纳米夹。此外，加德纳（Gardner）的研究小组描述了在将设备植入几只成年雄性斑马雀中后，成功记录了驱动发声的电脉冲。
斑马雀科鸣鸟。 （图片由Mehran B / Pexels提供）
根据Gardner的说法，这项研究被视为生物电子医学新兴领域的一项进展，最终可能导致针对炎症性肠综合症，类风湿性关节炎和糖尿病等疾病的新疗法。生物电子医学的目标是解码和调节周围神经系统信号，以获得对靶端器官和效应器的治疗控制。专家认为，该领域可以通过影响身体功能来替代或补充基于药物的干预措施，从而彻底改变医学并显着改善治疗效果并降低医疗保健成本。尽管如此，设备小型化仍是未来生物电子医学成功的关键因素之一，并且根据研究人员的研究，该领域仍然依赖于一些基于电极的设备，这些设备证明很难使用。
Gardner和他的同事建议，纳米夹子可以解码和调制在周围神经系统中传播的电信号，该神经系统包含控制大脑末梢器官的大脑和脊髓外部的神经和神经元细胞。此外，生物电子医学试图调制这些信号，以治疗一些慢性病，例如哮喘，膀胱控制，高血压，多囊卵巢综合症，甚至在某些COVID-19病例中具有炎症反应。Gardne说：“我认为许多未来的设备将涉及使用标准无尘室工艺的薄膜微细加工和微米级的3D打印的结合。这适用于生物医学植入物以及用于实验物理学和其他领域的设备。”
使用研究小组设计的3D打印机制作了用于研究的纳米夹子。 据中国3D打印网了解，这种打印机的设备制造速度比以类似分辨率运行的现有商用打印机快20倍。微型神经接口是使用定制的直接激光书写系统制作的，该系统可以从标准的CAD文件设计中打印锚，在这种情况下，使用的是DassaultSystèmes3D设计软件Solidworks。得益于打印速度和数字设计，研究人员可以制造具有各种尺寸和形状的纳米夹，以实现最佳的贴合度。
集成了薄膜的纳米夹子神经界面的渲染，图示出关键成分。 （图片由蒂莫西·加德纳/《自然通讯》杂志提供）
为了实现与小神经的大小相匹配的可植入设备，薄膜电极阵列由封装在绝缘和生物相容性聚酰亚胺层之间的50纳米金层组成。该装置的厚度和狭窄宽度产生了与周围组织相当的低弯曲刚度。使用聚酰亚胺薄膜微细加工技术定制制造薄膜多部位电极，然后将其丝焊到印刷电路板上以连接到测试设备。
在整个研究中使用的37只成年雄性斑马雀科鸟类的发声过程中，除了获得稳定，高信噪比的神经信号记录外，该设备还使研究人员能够精确控制神经的输出。他们能够激发纳米夹子内六个电触点上不同激活空间模式的独特发声。该研究的作者介绍说，这种时空控制可能对未来的生物医学植入物有用，这些生物植入物不仅试图激活神经，而且对在终末器官中具有不同功能的神经内的特定结构具有空间选择性。
在将纳米夹子植入鸣鸟的气管注射器神经的右侧后，记录鸟活动的方案。触发了歌曲的采集软件捕获了发声和神经活动。 （图片由蒂莫西·加德纳/《自然通讯》杂志提供）
中国3D打印网点评：该设备的关键特征之一是易于手术植入，这在未来的生物电子医学中是一个重要手段。“想象一下，您必须操纵一条小神经，然后用镊子将一个装置缠绕在其上，以打开袖带电极并将其定位在神经上。当前袖带电极所需的显微操作可能会损害最小的神经。相反，只需将3D制成的纳米夹子推入神经即可将其植入。这种易于植入的方法可用于其他微创手术。这项研究确实是针对亚毫米结构的新制造方法的早期测试。
这项研究的共同作者认为，他们的纳米装置能够为安全植入，在数周的时间内稳定地记录高信噪比以及精确调节小周围神经提供新的参考。尽管纳米夹子的开发利用了数十年来使用的其他设备的优势，但在这里，研究人员还是能够结合多种因素使设备与神经紧密配合。尽管这项研究是成功的，但研究人员预计，将来有必要进一步研究其他物种和神经，以进一步验证纳米夹子的潜力。
同时进行两个纳米笔慢性记录的方案。 （图片由蒂莫西·加德纳/《自然通讯》杂志提供）
在美国国立卫生研究院（NIH）的支持下，并与葛兰素史克公司（GlaxoSmithKline）签署了一项赞助研究协议，该研究表明，尺寸精确的纳米夹可以实现对鸣禽系统的精确功能调节。研究的主要作者，波士顿大学研究助理教授蒂莫西·奥特奇（Timothy Otchy）及其同事展示了对末端器官的灵活，精确的控制。以外围电路功能的闭环控制为中心的新一代生物电子疗法的触手可及，并可能成为未来几十年推进医疗保健的关键。
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