Исследователи разработали небольшие гибкие устройства, которые могут охватывать отдельные нервные волокна, не повреждая их.
Исследователи из Кембриджского университета объединили технологии гибкой электроники и мягкой робототехники для разработки устройств, которые можно использовать для диагностики и лечения ряда заболеваний, включая эпилепсию и хроническую боль, или для управления протезами конечностей.
Современные инструменты для связи с периферическими нервами — 43 пары двигательных и сенсорных нервов, соединяющих головной и спинной мозг, — старые, громоздкие и несут высокий риск повреждения нервов. Однако роботизированные нервные «манжеты», разработанные командой из Кембриджа, достаточно чувствительны, чтобы захватывать или обертывать чувствительные нервные волокна, не причиняя при этом никакого вреда.
Испытания нервных манжет на мышах показали, что устройствам требуется лишь небольшое электрическое напряжение для контролируемого изменения формы, образуя самоуплотняющееся кольцо вокруг нервов без необходимости использования хирургических швов или клея.
По мнению исследователей, сочетание мягких электрических приводов и нейротехнологий может стать решением для мониторинга и интервенционного лечения ряда неврологических заболеваний. Результаты опубликованы в журнале Природные материалы.
Имплантаты электрических нервов можно использовать для стимуляции или блокировки сигналов в целевых нервах. Например, они могут помочь облегчить боль, блокируя болевые сигналы, или могут использоваться для восстановления движений в парализованных конечностях, посылая электрические сигналы нервам. Нейромониторинг также является стандартной хирургической процедурой при выполнении операций на участках тела с высокой концентрацией нервных волокон, например, вблизи спинного мозга.
Эти имплантаты обеспечивают прямой доступ к нервным волокнам, но несут определенные риски. Профессор Джордж Маллиарас из инженерного факультета Кембриджа, возглавлявший исследование, сказал: «Трансплантация нервов сопряжена с высоким риском повреждения нервов. «Нервы маленькие и очень чувствительные, поэтому каждый раз, когда вы прикасаетесь к ним чем-то большим, например, электродом, это представляет риск для нервов».
Манжеты для нервов, которые обертывают нервы, являются самыми дешевыми имплантатами, доступными в настоящее время, но, несмотря на это, они по-прежнему очень громоздкие, жесткие и их трудно имплантировать, что требует значительного обращения и потенциальной травмы нерва.
Д-р Дамиано Бароне, соавтор кафедры клинических нейронаук Кембриджского университета
Исследователи разработали новый тип нейронной манжеты из проводящих полимеров, которые обычно используются в мягких роботах. Ультратонкие манжеты состоят из двух отдельных слоев. Подача небольшого количества электричества — всего несколько сотен милливольт — приводит к разбуханию или сжатию устройств.
Манжеты достаточно малы, чтобы их можно было свернуть в иглу и ввести в область целевого нерва. При электрической активации манжеты меняют форму, охватывая нерв, позволяя контролировать или изменять активность нерва.
«Чтобы обеспечить безопасное использование этих устройств внутри тела, мы смогли снизить напряжение, необходимое для работы, до очень низких значений», — сказал доктор Чаокун Донг, первый автор исследования. «Самое главное, эти манжеты могут менять форму в обоих направлениях и их можно перепрограммировать. Это означает, что хирурги могут регулировать, насколько плотно устройство прилегает к нерву, чтобы получить наилучшие результаты для записи и стимуляции нерва».
Испытания на мышах показали, что манжеты можно успешно надевать без хирургического вмешательства и что они образуют самоуплотняющееся кольцо вокруг целевого нерва. Исследователи планируют и дальше тестировать устройства на моделях животных и надеются начать тестирование их на людях в течение следующих нескольких лет.
«Благодаря этому подходу мы можем получить доступ к нервам, до которых трудно добраться посредством открытой операции, например, к нервам, контролирующим боль, зрение или слух, но без необходимости имплантации чего-либо в мозг», — сказал Барон. «Возможность расположить эти манжеты так, чтобы они охватывали нервы, делает эту процедуру намного проще для хирургов и менее рискованной для пациентов».
«Возможность создать имплантат, который может менять свою форму посредством электрической стимуляции, открывает ряд будущих возможностей для целенаправленной терапии», — сказал Маллиарас. «В будущем мы, возможно, сможем иметь имплантаты, которые смогут перемещаться по телу или даже в мозг – и это заставит вас мечтать о том, как технологии могут быть использованы для пользы пациентов в будущем».
Это исследование было частично поддержано Швейцарским национальным научным фондом, Кембриджским фондом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), входящим в состав Британской исследовательской и инновационной организации (UKRI).
источник:
Ссылка на журнал:
Донг, К., и другие. (2024). Микроэлектроды с электрохимическим приводом для минимально инвазивных интерфейсов периферических нервов. Природные материалы. doi.org/10.1038/s41563-024-01886-0.