ההתקדמות האחרונה במיקרו-ונו-טכנולוגיה מעצבת מחדש את הנוף של ייצור ממשק עצבי.טכניקות אלה מאפשרות חיבורים קטנים יותר, מדויקים יותר ופולשים פחות בין מכשירים אלקטרוניים לרקמות עצביות, התקדמות הנהיגה בטיפולים רפואיים, ממשקי המוח-מחשב, ו- Neuroprotsrats. על ידי שיפור רזולוציה אלקטרודה, צמצום נזקי רקמות ושיפור יציבות לטווח ארוך, מיקרו-מיקרו-ו-ו-מבריקות, מטפלות ארוכות בטכניקות של התחדשות, בדיקה זו.

« יסודות הטכנולוגיה של Neural Interface

ממשקי ניל הם מכשירים כי הם מערכת העצבים עם אלקטרוניקה חיצונית, המאפשר תקשורת דו-כי-אישית - אותות עצביים וסיפקו גירוי.הם משמשים יישומים החל שתלים cochlear וגירוי מוח עמוק לשליטה רובוטית וממשקים מתעוררים במוח - מחשבי המוח.

בד מסורתי לעתים קרובות הסתמכות על סיליקון קשיח או אלקטרודות מתכת שעלולות לגרום להיווצרות דלקת וצלקות.ההופעת מיקרו- וננו-טכנולוגיה הציגה חומרים חדשים ותהליכים המייצרים מערך אלקטרודה גמיש, גבוה עם גמישות ביולוגית משופרת.ההתקדמות הזו מסתמכת על טכניקות דפוס מבנים בקנה מידה דומה לנוירונים ולתהליכים שלהם, ומאפשרת שילוב טבעי יותר עם מערכת העצבים.

מיקרו-טכנולוגיה ב-Nural Interface fabrication

טכניקות מיקרו-טכנולוגיה פועלות בקנה מידה המיקרומטר (1-1000 מיקרומטר), התאמת הממדים של נוירונים בודדים ועיגולים עצביים קטנים.הם מאפשרים יצירת מערךי אלקטרודה עם מאות או אלפי אתרים על תת-שכבות גמישות, שיפור משמעותי ברזולוציה מרחבית תוך צמצום הנוקשות המכנית.

צילום: Photolithography

Photolithography, שנלקחה מייצור Semiconductor, משתמשת אור להעברת דפוסים גאומטריים על פולימר רגיש תמונה (פוטרסיסט) על תת-קרקעית.עבור ממשקים עצביים, דפוס זה מגדיר את הצורה והסידור של אלקטרודות מתכת ותופעות התנהגותיות.FLT:0 photolithography מציעה גבוה באמצעות מחשבי חומר ודיוק תת-מיקרומטר 1LT זהב, מה שהופך אותו אידיאלי לייצור רב-אלקטרוני כמו מתכת, כגון מתכת, כגון מתכת, חומרים דביקים, או מתכת, כגון מתכת, כגון מתכת, או מתכת, או מתכת, חומרים דביקים, לאחר מתכת, לאחר מתכת, לאחר מתכת, כגון מתכת, כגון מתכת דביקים, או מתכת, לאחר מתכת, או מתכת, חומרים דביקים, לאחר מתכת, לאחר מתכת, או מתכת, לאחר מתכת, או מתכת, לאחר מתכת, חומר אדפטומטיים, הוא חומר אדפטומטיים, כמו מתכת, הוא גבוה, לאחר מתכת, לאחר מתכת דביקה, לאחר מתכת, הוא מסוגל, הוא חומר אדפטומטיים, לאחר מתכת, לאחר מתכת, לאחר מתכת, לאחר מתכת, הוא גבוה, לאחר מתכת דביקה, לאחר מתכת דביקה, הוא מסוגל דביקה, לאחר מתכת דביקה,

זיכוך חדש כולל שימוש בפוטונים ובתהליכים שאינם חומרים כימיים קשים, צמצום הנזק הקשור לדיור למצעים עדינים.סקירה חיצונית של שיטות פוטו-תיאוגרפיות עבור בדיקות עצביות ניתן למצוא ב-FLT:0 זה סקירה על ScienceDirectFLT:1.

לימוזינה

לימוזינה תכלול קבוצה של טכניקות שמשתמשות בבולים אלסטומריים או תבניות כדי לעצב חומרים. Polydimethylsiloxane (PDMS) היא בחירה נפוצה כי היא גמישה, שקוף, וניתן לגז. בממשק עצבי, לית רכות עושה שימוש כדי ליצור מיקרו-ערוצים עבור אספקת סמים, כדי להעביר שכבות מתכת יקרות ערך על תת-שכבות, ומרקלציה מארגמן-Fate-Firetics-to-to-to-to-to-to-to-to-to-inated במיוחד עם cericialricialrto-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-tophertexerto-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-tophertphertpherdcinericialricialators-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

חידוש אחד משלב לימוזינה רופפת עם פולימרים מוליכים כמו PEDOT:PSS, להפקיד אותם במיקרו-פטרונים כדי להפחית את ה אלקטרודה אימפולסיבית ולשפר את הזרקת המטען.דוגמה של עבודה זו מתוארת לפרסום שפורסם לאחרונה ב-FLT:0 טבע על ממשקים עצביים גמישים FLT:1.

יישומים של Micro-Technology ב-Nural Interfaces

  • (FLT:0) בדיקות עצביות ניתנות להחלפה כרונית (איור 1) - בדיקות מיקרו-פאבריות (למשל, מערכי בסגנון מישיגן או יוטה) עם סדקים הנושאים אתרי אלקטרודה מרובים יכולים להקליט מעשרות עד מאות נוירונים בו-זמנית.
  • (FLT:0Micro-electrode מערכי גירוייםFLT:1) - מערך גמיש שהוצב על פני השטח הקורטקטי (electrocorticography) או בתוך מבנים עמוקים יותר מאפשרים גירוי חשמלי מדויק עבור אפילפסיה, מחלת פרקינסון, ושיקום שמיעה.
  • (FLT:0) Drug-delivery micro-channelsssveFLT:1) - שילוב של ערוצים מיקרו-השפעה לצד אלקטרודות מאפשר משלוח מקומי של גורמים נוירוטרופיים, תרופות נוגדות דלקתיות, או actuators אופטיגנטי, שיפור יציבות ממשק לטווח ארוך.
  • (FLT:0) ממשקי עצב היקפיים 1 (FLT:1) - אלקטרודות "קטנות" מיקרו-פאורות או בדיקות תוך-טרפאסקיוניות משפרות אתסלקטיביות ולהפחית טראומה מכנית ביישומים של שליטה אסטטית.

טכניקות ננו-טכנולוגיה ל-Resolution Neural Interfaces

בעוד ש-micro-טכנולוגיה מתייחסת לתכונות ברמת אוכלוסיות עצביות, ננו-טכנולוגיה (1-1000 nm) מאפשרת אינטראקציות עם מבנים תת-תאיים כמו סינפסות, אקסונים וערוצי ion.טכניקות של ננו-fabricationcationcationcation לייצר אלקטרודות עם יחס גבוה מאוד ל-volume, מופחתת אימפולסים, ותכונות אלקטרוכימיות משופרות.

אלקטרון באם ליתוגרפיה (EBL)

אלקטרון beam Lithography משתמש קרן ממוקדת של אלקטרונים כדי לכתוב דפוסים בהתנגדות עם החלטה למטה לעשרות ננומטרים.למרות איטי יותר מאשר photolithography, EBL הוא הכרחי עבור prototyping âsity אלקטרוde אלקטרודות גבוהה עם רזולוציה למטה כדי לגשת אלה של תהליכים טבעיים.

שכבת אטומית (ALD)

⁇ שכבת אטומית בונה סרטים דקים שכבת אטומית אחת בכל פעם באמצעות תגובות כימיות מחוסנות עצמית. ALD משמש להפקיד מוסכמות תואמים (למשל, אל2O3, HfO2, או TiO2) על יישומים כימיים גבוהים-aspect-ratio אלקטרודה, הבטחת כי פיזור ללא חרטה אשר מרחיב את חיי הגוף גם מאפשר למולקולות מקיפים: מהירויות אלקטרו-Fal (FLT) או מהירויות של אלקטרוליטיות (D) יכולות להפחתה של תכונות אלקטרוליטיות) אטמוספירה של תכונות אלקטרוליטיות (D) אטוריות (DVic) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

נאנווט אלקטרודות

ננווטים - מוטות מוליכים עם קוטרים בעשרות עד מאות ננומטרים - ניתן לגדל אנכי על תת-סטריט או אופקית כמבנים חופשיים, כאשר נעשה שימוש כאלקטרודות עצביות, FLT:0nanowires חודרים מזכרי תאים עם נוגדנים מינימליים FLT:1, המאפשרים מיפוי וגאורגימנטים כגון זהב, פלטינה, סיליקון, או סיליקון, 000 יכול לשמש סימנים סטנדרטיים עם תאים חשמליים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יכול לשמש, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יכול להיות מופעלים, 000, 000 יכול להשתמש.

קידודים ו- Surface Modifications

כדי לשפר את הממשק בין אלקטרודות ורקמות עצביות, החוקרים ליישם ציפויים nanostructured המחקים את המרטריקס התוספתי או להציג רמזים טופוגרפיים.

  • (FLT:0)Carbon ננוtubes (CNTs) OVAFLT:1 ; CNTs מציעים מוליכות חשמלית מעולה משטח גבוה שטח משטח.comings של CNTs מתואמים אנכית להפחית את האימפולס אלקטרודה ולקדם זרניט החוצה.עם זאת, חששות לגבי רעילות ארוכת טווח הביאו לפיתוח של פולימרים עטוף או משטח CNT כי הם יותר ביו-איים.
  • (FLT:0) חומרים פולימרים רגישים (למשל, PEDOT:PSS) irFLT:1 - ננוור פולימרים אלה באמצעות אלקטרודהפוזיציה או שיטות תבנית מניב ⁇ , ציפויים מטבוליים כי פחות אימפולסים ולהגדיל את יכולת ההזרקה המטען.
  • (FLT:0) חלקיקים ננו-חלקיקים גדולים יותר (FLT:1) – חלקיקים זהב על פני משטחים אלקטרודה מגבירים את שטח פני השטח האפקטיבי ויכולים להיות פונקציונליים עם biomolecules כדי לקדם את הדבקות הנוירונאלית.
  • (FLT:0)3D ננו-architecturessveFLT:1) - שימוש בלוק copolymer self-assembly או nano-imprint lithography, החוקרים יוצרים nanostructures תקופתיים (גלרבים, ridges, או בורות) אשר להנחות כיוון עצבי ו היווצרות סינפטי, פוטנציאל לשפר את נאמנותו של הממשק העצבי לאורך זמן.

אסטרטגיות קירור מיקרו-אנו

ממשק עצבי חזק ביותר משלב אלמנטים מיקרו-- וננו-scale במכשיר יחיד.לדוגמה, מערך מיקרו-אלקטרוניקה גמיש עשוי להיות אתרי אלקטרודה אשר ננו-מבנים עם PEDOT:PSS או CNTs כדי להפחית את החסימה, בעוד הקישור נשאר בקנה מידה מיקרומטר כדי להבטיח עמידות נמוכה ומיומנות אנושית.

טכניקה היברידית מעניינת נוספת היא השימוש של FLT:0 laser המושרה גרפן (LIG)uaFLT:1, שבו לייזר CO2 כותב ⁇ גרפן דפוסים על תת-קרקעית פוליimide.האלקטרודות וכתוצאה מכך מוצגים הן גיאומטריה בקנה מידה זעיר (המכונה על ידי נתיב לייזר) ומבנה ⁇ בקנה מידה ננו-scale שמגביר ביצועים אלקטרו-כימיקליים.

שיקולים ארוכי טווח וחשיבה לטווח ארוך

ההצלחה הקלינית של ממשקים עצביים תלויה ביכולתם לתפקד באופן אמין במשך שנים מבלי לגרום לתגובות שליליות רקמות מיקרו- וננו-fabrication טכניקות יכול לשפר את יכולת הביו-התאמה במספר דרכים:

  • (FLT:0 , ציות מכניות ציות FLT:1) - באמצעות תת-סטריט דק וגמיש (למשל, parylene, פוליimide, או גבישים נוזליים) וצמצום עובי הכולל, מכשירים יכולים להתאים את המודולוס של רקמות עצביות, צמצום דלקת הנגרמת על ידי מיקרו-תזונה.
  • (FLT:0) ציטוגרפיה אחורית (FLT:1) - ננו-טופיוגרפיות משפיעות על מודעות חלבון, דבקות תאים, ותבניות phenotype של מאקרופיראט יכול לקדם תגובה פרו-ההההההה (M2) מאקרו-פיננסית תוך פיזור של פיברוטוס.
  • (FLT:0) בחירת המפלט:1 - מתכות נובלות (platinum, זהב,iridium) הם סטנדרטיים, אבל חומרים מתעוררים כמו ⁇ הפלטינה-iridium, amorphous סיליקון carbide, וסרטים יהלומים מוליכיים מציעים עמידות קורוזיה מעולה ויציבות ארוכת טווח.
  • (FLT:0) EncapsulationFLT:1 - תחמוצות ALD, יחד עם פולימר over-coatings, לספק מחסומים הרמטיים נגד נוזלים בגוף.אסטרטגיות של ריבוי שכבות הוכיחו > 1 שנים יציבות במודלים של בעלי חיים.
  • (FLT:0) ציפויים של המוח (FLT:1) - גורמי נוירוטרופיק מטבוליים כגון גורם צמיחה עצבי (NGF), גורם נוירוטרופיק המוח (BDNF), או פטימין על פני השטח אלקטרודה מעודד נטייר של היפוך ולהפחית את התגובה של גוף זר.

דיון מפורט של הערכה ביו-תחרותית לממשקים עצביים ניתן למצוא ב-FLT:0 זה סקירה ב- Frontiers in NeuroscienceFLT:1.

פרספקטיבה עתידית: תרגום קליני ודרכים מתפתחות

שילוב של מיקרו- וננו-טכנולוגיה הביא ממשקים עצביים קרוב יותר לשימוש קליני נרחב. מגמות מספריות נוטות לעצב את העשור הבא:

תקליט עתיר ו- Closed-Loop Systems

ההתקדמות במרקם מאפשרת אספקת אלקטרודה עם אלפי אתרי הקלטה על שבב יחיד. בשילוב עם אולטרה-עוצמה אלקטרוניקה, מערךים אלה יכולים ללכוד רכבות ספייק מאוכלוסיות עצביות גדולות בזמן אמת.מערכות סגורות שקוראות אותות עצביים וגירוי אדפטי כבר נבדקו עבור אפילפסיה ושיקום מנוע.

השתלות אלחוטיות ומינימיות

טכניקות מיקרו-תזונה מאפשרות שילוב של סלילי אנטנה או משדרי קול עבור חשמל אלחוטי והנתונים שידור. ננו-טכנולוגיה יכול להפחית את גודל הרכיבים האלה עוד יותר, ומאפשרות מכשירים מותשים לחלוטין שאינם גדולים יותר מגרגר של אורז.

אופטיקה וממשקים היברידיים

שילוב של הקלטה חשמלית עם גירוי אופטי (optogenetics) דורש אלקטרודות שקוף ומבנים גל מונחה גל. מיקרו- וננו-fabricationcationcationcation שיטות - כגון מתכת mesh שקוף אלקטרודות או גלי גל פוטוניים משולבים - מפותחים כדי ליצור "optrodes" המספקים פעילות אור ותיעוד בו-זמנית. כלים אלה יהיו חיוניים למחקרים סיבתיים של מעגלים עצביים ויישומים טיפוליים עתידיים.

טלוויזיות ביו-אלקטרוניקה ארוכות

כדי להתעלות על תוחלת החיים הרב שנתית הנוכחית, החוקרים בוחנים חומרים ההולכים על עצמם, אלקטרוניקה ביולוגית של שתלים טרנספורמטיביים, וממשקים ביו-היברידיים המשלבים נוירונים חיים כדי לשמור על יכולת אלקטרודה.נכנו-טכנולוגיה עשויה לאפשר את השפע של אנזימים או מיטוכונדריה לספק מקורות אנרגיה מקומיים, להפחית את התלות על טעינה תקופתית.

מסקנה

טכניקות מיקרו- וננו-טכנולוגיה שינו את ייצור ממשק עצבי, הניבו מכשירים עם דיוק חסר תקדים, פולשים, ושיפור ביו-תחרותיות. Photolithography ו-Lithography רכות נותרו מעשי ייצור גמישים, בעלות גבוהה אלקטרודות גבוהה, בעוד אלקטרו-אטומית אלקטרו-דה, אטומית מחיקה, וצמיחה ננווטית דוחפת את הגבולות של פתרון מרחבי וביצועים אלקטרו-כימיים.

כמחקר נע מהפגנות ספסל בניסויים קליניים, שיתוף פעולה בין-תחומי בין מדענים חומריים, נוירו-מדעיסטים, מהנדסי חשמל ומרפאות יהיה חיוני.הדור הבא של ממשקים עצביים – תקשורת חלקה וארוכת טווח עם מערכת העצבים – מעכב את הפוטנציאל לשחזר פונקציות שאבדו, לטפל בהפרעות נוירולוגיות, ולעמיק את ההבנה שלנו של המוח.