התקדמות במדעי המוח והנדסה ביו-רפואית הניעו את הפיתוח של חיישנים לא-תואמים ביולוגיים המיועדים למעקב ארוך טווח של פעילות המוח.מכשירים מושתלים אלה שואפים לספק הקלטות עצביות רצופות, גבוהות תוך צמצום נזק לרקמות ותשובות חיסוניות כרוניות. Achieving ביצועים יציבים ואמינים במשך חודשים או שנים עדיין מטרה קריטית עבור יישומים החל מניהול אפילפסיה ועד לממשקי מוח (BC) חוקרים מאמר זה, אסטרטגיות עיצוב, חומרים חדשים.

הצורך בחיישנים לא מתאימים ב- Brain Implant Monitoring

שתלים במוח - מכשירים שמוצבים באופן כירורגי על או בתוך רקמת עצבית - משמשים כדי להקליט אותות חשמליים, לספק גירוי או לנהל טיפולים.חיישנים מסורתיים, לעתים קרובות על בסיס חומרים קשיחים כגון סיליקון או מתכת, הפגינו מגבלות משמעותיות.הטעות המכנית בין השתל נוקשה ורקמות המוח רך מוביל לדלקת מיקרו-תזונה ודלקת כרונית.לאורך זמן, התגובה של הגוף הזר מחלחלת את המכשיר עם אפילפטיבית, רקמותת המוח היא רקמות, ורקמת איכות הרצויה היא רקמות.

ה cascade החיסונית מופעל על ידי שתלים קונבנציונליים כולל הפעלה של microglia ו אסטרוציטים, שחרור של צייטוקין פרוט-דלקתי, ובסופו של דבר היווצרות של glial glial Sheath דחוס.תהליך זה יכול להתחיל בתוך ימים להחמיר מעל שבועות, באופן חמור מגביר אות מחלחל ועלייה אימפולסיבי.

חומרים מרכזיים עבור biocompatibility

בחירת חומרים היא אבן הפינה של פיתוח חיישן ביו-אי-תואמים.חוקרים חקרו ספקטרום של חומרים, כל אחד מהם מציע הבדלים בין ביצועים חשמליים, תאימות מכנית ואינטונציה ביולוגית.

חומרים מבוססי הסיליקון ומגבלותיהם

הסיליקון נשאר סוס העבודה של מיקרואלקטרוניקה בשל תהליכי ייצור מבוססים היטב ונכסים סמי-מוליכים למחצה מצוינים.עם זאת, סיליקון גבישי הוא פקודות של נוקשות גודל יותר מאשר רקמות המוח (המודולולוציות של הצעיר) -170 GPa לעומת 1.10 kPa) נוקשות זו מגבירה את תגובת הגוף הזר.

Polymer Fitings: Parylene ו-PDMS

חיישנים עם פולימרים משפרים את יכולת הביו-אופטימית על ידי הצגת ממשק רך יותר. Parylene-C, ציפוי קונפורמנטלי מופקד באמצעות פיזור כימי, משמש נרחב עבור הכוח הדיאלקטרי הגבוה שלה, עמידות כימית, ואמצעי מים נמוכים.הוא מפחית את החתך fibroblast וזכה להשתלת ארוך טווח במכשירים רפואיים אחרים, באופן דומה פולימדיים סיליקון (PD) יכול להיות מחוסם קצר יותר, אך ורקמות על פני השטח.

המונחים: hydrogels

הידרוג'לs - רשתות פולימרים מחוברות המכילות תוכן מים גבוה - מציעים הזדמנות ייחודית לשכפל את המאפיינים מכניים וביוכימיים של רקמת המוח. הידרוגליל מוליכים משולבים רכיבים פעילים מבחינה חשמלית כגון צינורות פחמן, גרפן או פולימרים מוליכים (למשל, PEDOT:PSS) חומרים אלה מראים את המודולולי בטווח הקילופה, קרוב מאוד להתאים את הרקמות העצביות שלהם, כגון: למנוע חומרים אלה המבוססים על ידי חומרים אלה, כגון חומרים חזותיים, כגון חומרים אלה, חומרים חשיפה לטווח ארוך, חומרים חזותיים, ולהפחית את ההשפעות של חומרים אלה, ולהפחית את ההשפעות של חומרים אלה, אשר כוללים בדיקות מתכתיים, כגון חומרים אלה, כגון חומרים אלה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זמן קצרי תיבות של חומרים אלה, 000, 000, 000 של חומרים אלה, 000, 000, 000, 000, 000 זמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 משככי כאבים, 000 משככי כאבים, 000 משככי

עקבו אחרי NNOTER

חומרים ננומטריים כגון גרפן, צינורות פחמן (CNTs), ו- molybdenum disulfide להציג תכונות בלתי ניתנות להשגה בצורת גדולה. Graphene אלקטרודות, למשל, הם דקים מבחינה אטומית, גמישים מאוד התנהגותית. הפנים שלהם יכול להיות פונקציונלי כדי להפחית מודעות חלבון ולקדם החזקות עצביות ארוכות.

אסטרטגיות עיצוב לטווח ארוך

מעבר לחומרים, העיצוב הכולל של מערכת השתל קובע את הביצועים הכרוניים שלה.שיקולי מפתח כוללים ממדים פיזיים, עמידה מכנית, התנגדות ביו-פופולינג, ואת היכולת לתקשר עם מערכות חיצוניות ללא כוונון המטופל.

מיניטור ואלקטרוניקה גמישה

הורדת טביעת רגל היא אסטרטגיה פשוטה לעקירת רקמות.טכניקות מיקרו-פטרייה מודרניות מאפשרות לקוטר אלקטרודה מתחת 10 מיקרומטר ועוביי גילוח של כמה מיקרונים. תת-שכבות גמישות כגון פולימידיד או גביש נוזלי מאפשרות לתקני פולימר פולימרוס נוזליים להתאים את החוזק של המוח לאחר הדבקה זמנית של מערכת "NeuroPixel" ו"NeuroGrid" מייצגת יישום מוצלח של נוירונים גבוהים, אשר חייב להיות מנקה, לאחר צורך במקביל, עם כמה נוירונים, עם נוירונים יציבים, עם זאת, עם זאת, עם צורך קבוע של מבנים יציבים, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם נוירונים, עם נוירונים, עם צורך של נוירונים, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם צורך של נוירונים יציבים של נוירונים.

אלקטרוניקה

המוח אינו סטטי; הוא נע עקב פיראטיות, כפייתי לב, ותנועת ראש. אלקטרוניקה מתוחה, בנוי על תת-שכבות אלסטיות עם חיבורים נחשניים, יכול להכיל תנועה כזו ללא דלמנט או שבר.חוקרים פיתחו "msh Electronics" שבו מסלולים מוליכים מוגדרים כעמודי גילוח מתוחים וחוזה כמו מעיינות אלה יכולים להיות מוזרקים כמו חבילה מוגבלת לממשק ארוך-F1: 0 {\displaystyle קוד פתוח עם פתורים יציב עם פתורים עם פתורים יציבים עם .

מניעת מניעת חיסון ו Biofouling Prevention

נוזלים ביולוגיים מכילים חלבונים ותאים שיכולים לפרסם על משטחים של חיישן, להרכיב שכבת ביופוזה אשר מגבירה את העיכוב ואת הפחתת יחס אות-ל-לא-מסוות. ציפויים נגד-הפחתת כגון פוליאתילן גליקול (PEG) מצחצחים באופן מקומי, zwitterionic פולימרים, וציפוי הידרופיליים להפחית את הדבקות לא ספציפית, בנוסף לזיהומים כימיים (דלקתיים) יש צורך.

תקשורת אלחוטית ו-Power Transfer

ניטור לטווח ארוך חייב להימנע חוטים חד-משמעיים המשמשים מסלולים זיהום.מערכות השתלות מלא להסתמך על שידור נתונים אלחוטי, בדרך כלל באמצעות הפיכה חינוכית כמעט שדה, רדיו ⁇ (RF) טלמטרי, או אולטרסאונד. Power ניתן להעביר באופן אלחוטי או מקציב משדות גוף אלחוטי; מערכות ללא סוללות באמצעות קציר אנרגיה מאנטנות חיצוניות הם אטרקטיבי במיוחד עבור חוקרים עול כירורגי הוכח מערכות עצביות כדי להפעיל סטרימינג ללא הרף, או למנוע מיפוי נתונים אלחוטי, כגון סטרימינג, או סטרימינג ללא הגבלה, אשר לא-אווירה, כגון סוללת, אשר מסייעות, שמירה על ידי אנטנות לחץ אוויריות, או קרינת אבטחה אנטנות אבטחה קרינת אבטחה אנטנות.

אתגרים ב-Achieving Long-Term Biocompatibility

למרות ההתקדמות המרשימה, כמה מכשולים יסודיים נותרו לפני חיישנים לא מתאימים ביולוגית יכולים להיות פרוסים באופן נרחב בחולים אנושיים.

תגובה ראשונה וגליל סקרינג

גם עם החומרים התואמים ביותר, כמה תואר של תגובת גוף זרה הוא בלתי נמנע.הנוכחות הכרונית של מכשיר משנה את המיקרו-סביבון המקומי.הפעלה של מיקרו-glia לשחרר מינים חמצן תגובתיים שיכולים להפיג פולימרים ו- וכו ' מסלולי מתכת.בחודשים, glilayered glial Sheath עד 50 מיקרומטר יכול להיווצר, הוא בידוד אלקטרודות מאסטרטגיות בריאות כדי להילחם זה כוללים דחיסות אלקטרודות (מריד) או ירידה של תאים חשמליים (מריד) באמצעות מצופה) באמצעות הדבקה (מפסידיים) סגסוגת אחורית תאים חשמליים (מפסת תאים חשמליים) או ירידה) מצופה) עם מצופה).

אותות על הזמן

הקלטות ארוכות טווח סובלות מסחף הדרגתי בבסיס, שינויים במניעה, ואובדן יחידות בודדות לזיהוי.ההשפלה הזו עלולה לנבוע מתנועות עדינות של השתל, דלקת הדרגתית, או ניוון של נוירונים סמוכים. עיבוד אותות מתקדמים ואלגוריתמים של מכונות יכולים לפצות על חוסר יציבות, אך שמירה על בידוד אחיד לאורך שנים נותרה מאתגרת מאוד.

כוח אספקה ופירוק חום

יעילות העברת כוח אלחוטית יורדת באופן משמעותי עם עומק; עבור שתלים במוח עמוק, ממסר ביניים או גלים אקוסטיים הם הכרחיים.בנוסף, כל הרכיבים האלקטרוניים מייצרים חום, ואפילו טמפרטורה קטנה עולה מעל 1-2C יכול להזיק נוירונים.תקציבי חשמל חייב להיות מנוהל בקפידה. מעגלים כוח נמוך, מומנטים עמידת אופניים, ופרוטוקולים אלחוטיים יעילים אנרגיה הם חיוניים.

ייצור סקאלה ושיקום התפוצצולים

מעבר מטיפוסי מחקר למכשירים שאושרו קלינית דורש תהליכי ייצור הניתנים להשגה העומדים בסטנדרטים איכותיים מחמירים.חומרים מבטיחים רבים, כגון הידרוג'ל מותאם אישית או מרכב ננו-חומרי, היעדר רשתות אספקה מבוססות. גופי רגולציה (FDA, EMA) דורשים בדיקות ביו-התאמה נרחבות (ISO 10993) ותכניות בעלי חיים ארוכות טווח.העלות והזמן לאישורים כאלה לעתים קרובות עולה על בניין שנתי.

יישומים קליניים והשפעה

חיישנים לא עקביים פותחים את הדלת לפקח על מגוון רחב של הפרעות במוח.באפילפסיה, אלקטרוקוגניות כרוניות (ECoG) שתלים יכולים להקליט מאזורים קורטיים גדולים, לזהות דפוסים preictal כדי לגרום התערבות סגורה או משלוח תרופות.עבור מחלת פרקינסון, גירוי עמוק במוח (DBS) מוביל להיות מעוצב מחדש עם אלקטרודות משולבות המספקות משובים על פוטנציאל מקומי, המאפשרים גירויים של תאים עצביים בטווח הארוך, אשר עלולים למזעריים, כי הם עלולים של תופעות לוואי עמידים, כי הם עלולים, כי הם עלולים, כי הם מפציעות עצביות, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות גירוי עצביות, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, 000 טווח, 000 שנים, 000, 000, 000, כי הוא מסוגלות, 000 שנים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה תפקודיות, כי הוא מסוגלות פונקציות תפקודית, 000 נטייה תפקודית, 000, כי הוא מסוגלות, 000 שנים, 000 שנים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 שנים, 000, 000, 000 שנים, 000 שנים, 000, 000, 000 מסוגלות, 000 נטייה של המוח עמוק המוח

מעבר ניטור טיפולי, חיישנים אלה הם כלים הכרחיים למחקר מדעי המוח.הם מאפשרים מחקר של פעילות המוח במהלך התנהגויות טבעיות על פני זמן לא אפשרי עם הקלטות אקוטיות. חוקרים יכולים לחקור פלסטיות עצבית, למידה, והתקדמות של מחלות ניווניות במודלים בעלי חיים נעים בחופשיות.התובנות שהתקבלו יטזו פרוטוקולים קליניים ויידעו מכשירים הדור הבא.

קווי עתיד וגבולות מחקר

מערכות סגורות והתאמה

השתל המוח האולטימטיבי יהיה אוטונומי לחלוטין: זה יכול לחוש, לפרש ולהגיב לפעילות עצבית בזמן אמת.מערכות סגורות אשר מנטרות גירוי בהתבסס על סמנים ביולוגיים מזוהים כבר בניסויים קליניים עבור אפילפסיה ומחלות פרקינסון. עיצובים עתידיים ישלבו על למידת מכונה שבב כדי לסווג דפוסים ולתאם פרמטרים ללא חומרה חיצונית.

חומרי ההולכה עצמית

בהשראת רקמות ביולוגיות, החוקרים מפתחים פולימרים עצמיים שיכולים לתקן microcracks או דלמנטום הנגרמת על ידי ללבוש מכני או השפלה אנזומטית.לדוגמה, אג"ח דינמי קוהנדסי או אינטראקציות העליונות מאפשרות לשרשראות פולימרים שבורות לרפורמ מחדש. a self-healing מוליכים elastomer יכול להאריך את החיים של קישורים גמישים וציפויים עדיין מוקדם, כך, כדי למנוע חומרים כאלה להורדת שיעורי כישלונות.

זמן ארוך ב-Vvo Testing

תקן הזהב לאימות ביו-תחרותיות נשאר השתלת זמן רב בבעלי חיים המחקים באופן הדוק את הפיזיולוגיה האנושית.פרימטים לא אנושיים מציעים את הפלטפורמה הרלוונטית ביותר, אך אתיקה ומגבלות העלות מגבילים את השימוש שלהם. Minipigs ו-Metaents עם מודלים חיסוניים מואצים מספקים חלופות יעילות. Standardized Report of Histology, יציבות אי-יציבות, וסימן על פני נקודות זמן הוא הכרחי כדי להשוות את מאמצי ה-ה כגון תרגומים להגדרה.

מבט לאחור

הפיתוח של חיישנים ביו-תואמים עבור ניטור ארוך המוח מתקדם במהירות.קבוצות רב תחומיות המשלבות מדע עצבי, חומרים, מדע, הנדסה חשמלית וייצור לקדם מכשירים מניסויים מעבדה לקראת מציאות קלינית. בעוד אתגרים בדיכוי חיסוני, ניהול כוח, ויציבות האותות נמשכת, כל שיפור מצטבר מרחיב את האופק של מה אפשרי.

[קרא עוד על פריצות דרך נוכחיות, ראה את הביקורת על ידי צ'ן et al. על בדיקות עצביות גמישות [FreaLT:0]2FLT:1] ואת הפיתוח של אלקטרוניקה מרשים בלתי ניתן להזרקת על ידי ליו et al. FLT 3: 3] בנוסף, הניסוי הקליני במרשם קליני.gov מחקרים שוטפים על ניטור עצבי ארוך טווח [F03:23F:2FLT4:23FLT4: LT4: LT4: LT4: LT]