Controllo degli arti protesici con array di elettrodi

Per progettare arti protesici con controllo motorio e senso del tatto, i ricercatori hanno cercato modi per collegare gli elettrodi alle terminazioni nervose del braccio o della gamba e quindi tradurre i segnali da quei nervi in ​​istruzioni elettriche per muovere l'arto meccanico. Tuttavia, le cellule nervose recise su un arto amputato possono crescere solo se è presente una struttura per sostenerle, proprio come un traliccio sostiene una vite in crescita. E sono notoriamente pignoli riguardo alla forma e alle dimensioni di quella struttura.

Condotti a spirale: I canali microscopici in questo rotolo di polimero hanno le dimensioni e la forma giuste per far crescere attraverso di essi fasci di cellule nervose recise. L'impalcatura, aumentata con elettrodi, ha lo scopo di trasmettere segnali elettrici tra il sistema nervoso di un amputato e l'arto protesico.

Le cellule sono come le persone: a loro piace che i mobili siano della misura giusta, dice David Martin , un ingegnere biomedico presso l'Università del Delaware. Stanno cercando un canale che abbia la scala di lunghezza di 'Riccioli d'oro': quanto sono distanti le creste, quanto sono alte, quanto sono larghe.

di Ravi Bellamkonda il laboratorio della Georgia Tech ha progettato un'impalcatura di supporto tubolare con minuscoli canali che si adattano perfettamente a fasci di cellule nervose. Il gruppo ha recentemente testato la struttura con cellule gangliari della radice dorsale e ha presentato i risultati alla conferenza della Society for Biomaterials all'inizio di questo mese.

L'impalcatura inizia come un foglio piatto con minuscole scanalature, simile al ferro ondulato o al cartone. Viene quindi arrotolato per formare un cilindro poroso con molti piccoli canali adatti per una sana crescita delle cellule nervose. I pavimenti dei condotti fungono anche da elettrodi, sfiorando i fasci nervosi e captando i segnali nervosi. La cosa diversa è che i modelli possono essere controllati in modo molto più preciso e l'orientamento dei fasci nervosi è essenzialmente perfetto qui, afferma Martin. È un bel sistema modello e la capacità di controllare la crescita dei nervi è ciò che sarà davvero prezioso.

L'obiettivo finale è consentire una comunicazione bidirezionale tra l'arto protesico e chi lo indossa. Alla fine, questo design potrebbe separare i due tipi di cellule nervose all'interno di un fascio, quindi i segnali neurali che dirigono il movimento della mano viaggeranno lungo un canale e le informazioni sul tatto e la temperatura dall'arto protesico viaggeranno al cervello lungo un altro canale. Il 'jellyroll' dovrebbe in linea di principio consentire [loro] di selezionare attraverso quei canali, che per me è dove si trova la vera eccitazione, dice Martin. Questa è una notizia per il futuro, ma devi essere in grado di camminare prima di poter correre.

In precedenti tentativi di attingere ai segnali neurali, gli scienziati hanno dotato le cellule nervose recise di elettrodi setaccio, dischi metallici piatti con fori destinati alla crescita dei nervi. Il problema con l'elettrodo del setaccio è che i nervi non crescerebbero in modo affidabile, afferma Bellamkonda.

Il lavoro attuale sulla crescita di fasci nervosi allineati comprende supporti in schiuma con pori adatti alla crescita dei nervi e tessuti con nanofibre allineate lungo i quali i nervi dovrebbero crescere. Ma il design del jellyroll ha il potenziale per essere una spanna sopra il resto.

Lo scaffold multicanale potrebbe conferire maggiore destrezza agli arti protesici. Devi essere in grado di stimolare il maggior numero possibile di assoni per il movimento e devi essere in grado di raccogliere segnali da quanti più assoni possibile, afferma Akhil Srinivasan, ricercatore principale del progetto. Gli elettrodi più sofisticati attualmente utilizzati alle terminazioni nervose hanno circa 16 canali per controllare il movimento. Ma il braccio ha 22 gradi di libertà. Hai bisogno di almeno 22 canali affidabili, dice Mario Romero-Ortega , professore associato di bioingegneria presso l'Università del Texas, Arlington. Questo è il limite: ne abbiamo solo alcuni, ma tu ne hai bisogno di più.

La novità, dal mio punto di vista, sono i materiali che usano [sono quelli che possono] scalare, dice Romero-Ortega. Il design del rotolo di elettrodi si basa sul lavoro precedente, ma la nuova impalcatura è realizzata con materiali sicuri per l'uso biologico. Sono i primi a mostrare una crescita in vitro, afferma Romero-Ortega.

Per realizzare i microarray, uno strato del polimero polidimetilsilossano viene steso su un vetrino per creare una base sottile e uniforme e viene aggiunto uno strato di un polimero fotosensibile, SU-8. La luce ultravioletta viene irradiata sull'SU-8 attraverso un reticolo e le parti della superficie esposte alla luce si uniscono per formare pareti. Le sezioni intermedie non legate vengono quindi lavate via, lasciando dietro di sé file su file di condotti. La superficie scanalata è ricoperta da un secondo strato di polimero di base e il sandwich polimerico viene arrotolato in un cilindro.

Finora, il microarray arrotolato manca ancora di elettrodi, ma Srinivasan afferma che i prossimi passi saranno inserire elettrodi d'oro nella base dell'impalcatura. Il microarray cablato verrà quindi testato in un modello di ratto.

Penso che sia un design intelligente, dice Dominique Durand , professore di ingegneria biomedica alla Case Western Reserve University. Non hanno ancora mostrato gli elettrodi, ma questo è un problema per un altro giorno.

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