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柔性电子元件能捕捉大脑信号
发布时间:2018-03-07    来源:Klas Tybrandt    浏览次数:
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林雪平大学有机电子实验室首席研究员Klas Tybrandt开发了一种用于长期的稳定的神经记录的新技术。这种新技术基于一种新型弹性复合材料,这种复合材料具有生物相容性,即使拉伸至其原始长度两倍时仍然保持高导电性。

 

这个结果是与苏黎世和纽约的同事合作取得的。这项技术的突破对于生物医学工程许多应用至关重要,表述该技术突破的论文发表在著名科学杂志Adanced Materials上(''High-Density Stretchable Electrode Grids for Chronic Neural Recording'')。

 

电子元件与神经细胞之间的耦合不仅对于收集细胞信号传导的信息至关重要,而且对于诊断和治疗诸如癫痫的神经障碍和疾病也是至关重要的。

 

实现长期稳定的连接且不会损伤神经元或组织,这是非常具有挑战性的,因为这两个系统,即人体的柔软和弹性组织以及坚硬和刚性的电子元件,具有完全不同的力学特性。

 

“由于人体组织具有弹性和移动性,因此与刚性电子元件的界面会产生损伤和炎症。这不仅会导致组织损伤,还会削弱神经信号。”林雪平大学北雪平校区的有机电子实验室柔性电子小组的负责人Klas Tybrandt说。

 

Klas Tybrandt开发了一种新型导电材料,这种材料与人体组织一样柔软,可以拉伸到其长度的两倍。该材料由镀金的二氧化钛纳米线组成,嵌入硅橡胶中。该材料具有生物相容性——这意味着它可以与人体接触而不会产生不良影响——并且其电导率随着时间的推移能够保持稳定。

 

“柔性导电复合材料的微加工涉及多种挑战。我们已经开发出一种制造小电极的工艺,该工艺同时能够保留材料的生物相容性。该工艺使用的材料非常少,这意味着我们可以使用相对较贵的材料(如黄金),而不至于成本过高。”Klas Tybrandt说。

 

电极的尺寸为50微米,彼此之间的距离为200微米。制造过程允许将32个电极放置在非常小的表面上。

 

柔性微电极是由林雪平大学和苏黎世联邦理工学院开发,纽约大学和哥伦比亚大学的研究人员们随后将其植入大鼠的大脑。研究人员能够从自由移动的大鼠中收集高质量的神经信号3个月。这些实验已经遵照伦理审查,并且遵循了管理动物实验的严格规定。

 

“当大脑中的神经元传输信号时,会形成一个电压,电极通过一个微小的放大器检测并向前传输。我们还可以看到信号哪个电极,这意味着我们可以估计信号起源的大脑位置。这种类型的时空信息对未来的应用很重要。例如,我们希望能够看到导致癫痫发作的信号在哪里开始,这是治疗它的先决条件。另一个应用领域是脑机接口,未来的技术可以通过神经信号进行假体的控制。还有许多有趣的应用,涉及身体周围神经系统和它调节各种器官的方式。”Klas Tybrandt说。

 

这一突破是Soft Electronics研究方向的基础,该研究方向目前正在林雪平大学设立,由Klas Tybrandt担任首席研究员。