Neural Interface Fabrication Micro- ve Nano-teknoloji Teknikleri Kullanıyor

Mikro- ve nano-teknolojideki son gelişmeler, sinir arayüzünün zeminini yeniden şekillendiriyor ve bu teknikler, elektronik cihazlar ve biyolojik sinir dokusu arasındaki daha küçük, daha hassas ve daha az invazif bağlantıları sağlıyor, tıbbi tedavilerde ilerlemeyi, beyin-bilgisayar arayüzlerini ve nöroprotezlerini geliştiriyor ve elektrot çözünürlüğünü geliştirerek, doku hasarını artırmak ve uzun vadeli stabiliteyi artırmak, mikro-ve nano-fabrikasyon yöntemleri alanında uzun süre engelleniyor.

Neural Interface Teknolojisi

Neural arabirimleri, dış elektronik ile sinir sistemini çiftleştiren cihazlardır, iki yönlü iletişim için izin verir - sinir bozucu sinyalleri kullanarak ve uyarıları teslim ederler.Onlar, kochlear implantlarından ve derin beyin uyarılarını robotik prosthetic kontrol ve ortaya çıkan beyin-bilgisayar arayüzlerine kadar uygularlar. Erken cihazlar, kötü sinyal çözünürlüğü, mekanik yanlış uyumsuz dokular ve zaman içinde yüksek performanslı performans gösteren bağışıklık yanıtları ile karşı karşıya kalırlar.

Geleneksel üretim genellikle, inflamasyon ve yara oluşumuna neden olabilecek sert silikon veya metal elektrotlara dayanıyor. Mikro- ve nano-teknolojinin gelişi, esnek, yüksek çözünürlükli elektrot dizilerini üreten yeni materyaller ve süreçler tanıttı. Bu gelişmeler, nöronlara ve süreçlerine kıyasla uzun ölçeklere kıyasla daha doğal entegrasyon sağlar.

Mikro-Teknoloji Neural Interface Fabrication

Mikrometre ölçeğinde (1000 μm) mikrometrelerde çalışır, bireysel nöronların ve küçük sinir devrelerinin boyutlarını eşleştirir. Mekanik sertlikleri azaltırken yüzlerce veya binlerce site oluşturmalarına izin verirler.

Fotolithography

Fotolithography, yarı iletken üretimden ödünç aldı, geometrik desenleri bir substrat üzerinde fotoğrafa duyarlı bir polimere transfer etmek için ışık kullanıyor (fotoğrafçı), bu model metal elektrotlar ve iletken izlerini tanımlar.UVT:0,)Fotoğraflı yazıcılar yüksek transkripto ve sub-mikrometreler (Dönetici) ile yüksek performanslı yüzeylere sahip olabilir ve elektrotörüntüleri oluşturmak için idealdir.

Son rafineriler, sert kimyasallardan kaçınan biyoakonomik fotoreatif yöntemlerin kullanımı ve süreçleri içerir, hassas substratlara ilişkin olarak ilgili hasarları azaltır.

Yumuşak Lithography

Yumuşak lithografi, elastomerik pulları veya kalıpları desenli malzemelere transfer etmek için bir dizi teknik içerir. Polydi Mesiloxane (PDMS) is a common choice because it is flexible, şeffaf, and gas-permeable.In sinir arayüzü, yumuşak lithography is used to make micro-channels for Drug deliverys, to transfer metal tabakaları eğricik yüzeylere transfer etmek ve özellikle de sinir bozucular ile kumaşlar için gerekli olan sinir bozucular için.

Bir inovasyon, PEDOT gibi iletken polimerlerle yumuşak litografiyi birleştirir:PSS, onları mikro-patterns'ta elektrot engelleyici ve şarj enjeksiyonunu azaltmak için depozito yatırmak. Bu tür bir çalışma örneği, son zamanlarda açıklanan bir bildiride tanımlanmıştır.

Mikrobiyoloji Uygulamaları Neural Interfaces-Teknoloji

• [FONT:0] Kronik kayıt için değiştirilebilir sinirbilimleri – Mikro-fabrikated probeler (e.g., Michigan tarzı veya Utah dizileri) aynı anda onlarca ila yüzlerce nöron kaydı olan shanks ile birlikte.
• [FONT:0) Mikro-elektrode dizileri uyarı için yapılandırın[Dönetici:0) veya daha derin yapılarda epilepsi için hassas elektrik uyarıları sağlar, Parkinson hastalığı ve işitme restorasyonu.
• [FONT:0)Drug-delivery mikro kanal[[Dönetici: 1) Mikro-fluidik kanalların elektrotların entegrasyonu, nörotrofik faktörlerinin yerel sunumuna, anti-inflamatuar ilaçlara veya optogenetik hareketlere, uzun vadeli arayüz stabilitesine olanak sağlar.
• [FONT:0)Peripheral sinir arayüzleri[[DÜT:1) – Mikro-fabrikated “kuff” elektrotlar veya intrafascicular Prosthetic kontrol uygulamaları için mekanik travmayı geliştirir.

Yüksek Çözünürlük Neural Interfaces için nanoteknoloji Teknikleri

Mikroteknoloji, sinir popülasyonları seviyesindeki özelliklerle ilgili olarak, nano-1000 nm) etkileşimleri, sinapslar, axons ve iyon kanalları gibi alt yapılı yapıların yaratılmasına olanak sağlar. Nano-fabrikasyon teknikleri son derece yüksek yüzey-to-volume oranları ile elektrokimyasal özellikler üretir ve elektrokimyasal özellikleri geliştirir. Ayrıca, yabancı-fabrikasyon kanallarını modüller olarak kullanarak nanoyapıt kaplamaların yaratılmasına izin verir.

Elektron Beam Lithography (EBL)

Elektron litografi, bireysel nöronal süreçlerine yaklaşımını yapmak için elektronların odak noktası kullanır.Ingölgeler on nanometreye kadar daha yavaş olsa da, EBL, tek bir axonlardan kayıt için vazgeçilmezdir, çünkü nanotel büyüme için hassas desenler oluşturmak gerekir. Araştırmacılar planlanmamış yüzeylere yönelik planlanmamış geometriler için EBL'ler kullanıyor.

Atom Katmanı Deposition (ALD)

Atom tabakası, ince filmleri bir atom tabakasını kendi kendini öldürme kimyasal tepkileri aracılığıyla inşa eder. ALD, vücut içinde bir cihazın yaşam süresini uzatan veya ekleyen biyolojik kaplama uygulamaları için yapılandırır.[Döneticileri, HfO2, veya TiO2), yüksek riskli-insanlar için yüksek çözünürlükte, ALD, vücut için biyoaktif bileşikleri genişletir.

Nanotel elektrotları

Nanotels - on ila yüzlerce nanometreye kadar çaplarla dolu çubuklar - altın, platin, silikon veya yatay olarak serbest kabul edilen yapılarda. Nanotel serisi olarak kullanılanlar, yüksek sinyale nüfuz eden membranlarla potansiyelleri azaltır).

Nanoyapılı Kaplamalar ve Yüzey Modifications

Elektron ve sinir dokusu arasındaki arayüz geliştirmek için, araştırmacılar ekstra hücreli matrix veya mevcut topografik cuesleri taklit eden nanoyapılı kaplamalar uygularlar. Common approach include:

• [FONTs:0)Carbon nanotüpler (CNTs))[değiştir | kaynağı değiştir], CNTs, dikey olarak CNTs ile daha fazla biyo-bağlantılı CNTs, elektrotları azaltıp, neurite outgrowth teşvik eder. ancak uzun vadeli olarak polimer-terminasyonlar hakkında endişeler, daha fazla biyoakonomik olmayan CNTs'lerin geliştirilmesini talep eder.
• [FONT:0)Kondüktif polimerler (örneğin PEDOT:PSS)) – Nano bu polimerleri elektrot veya şablon yöntemleri aracılığıyla yapılandırın, bulanık kaplamalar ve şarj edilebilirlik kapasitesinin düşük olması için yaygın olarak kullanılır.
• [FONT:0) Altın nanopartiküller[[DÜT:1) - Mikrode yüzeylere yapılan altın nanopartiküller etkili yüzey alanını arttırır ve nöronal adhesion'u teşvik etmek için biyomolecules ile işlevselleştirilebilir.
• [FONT:0]3D nano-arktures[DD: 1))) – Blok kopolimer kendini bir araya getiren veya nano-imografi, araştırmacılar periyodik nanoyapılar (piller, sırt çantalar, ya da pitler) yaratırlar, bu kılavuz neurite yön ve sinaptik formasyon, potansiyel olarak zamanla sinir arayüzünün sadakatini geliştirirler.

Hybrid MicroNano Fabrication Strategies-

Örneğin, esnek bir mikro-elektrode serisi PEDOT ile nanoparçacıklı membranlar ile entegre edilebilir: Bu hibrit yaklaşımlar her ölçekin güçlü yönlerine sahiptir, mikro-fabrikasyon düşük direnç ve manufacturability sağlamak için mikro-elektif olarak kalırken, nano-sijinal kanallar kontrollü ilaç serbest bırakılması için nano-parçacıklı membranlarla entegre edilebilir.

Bir diğer ilginç hibrit teknik, poliimide substratlar üzerinde optik optik optik (kanı) ve elektrokimyasal performansı geliştiren bir nano-öldürücü yapısıdır.

Biocompatability ve Long-Term Stability

Sinir arayüzlerinin klinik başarısı, olumsuz doku reaksiyonlarına neden olmadan yıllarca güvenilir bir şekilde çalışma yeteneğine bağlıdır. Micro-ve nano-fabrikasyon teknikleri çeşitli şekillerde biyokopatlanabilir:

• [FONT:0)Mechanical uyumluluğu[[[Dönetici:0)[Dönetici:0)) ve genel kalınlıkta, cihazlar mikro duygusallık kaynaklı inflamasyonu azaltabilir.
• [FONT:0]Surface topografi[Dönetici:0] – Nano-topograflar protein adsorpsiyonunu, hücre adhesion'u ve makrophage phenotype. Appropriate kalıpları, fibrous encapsulation sırasında pro-healing (M2) makrophage yanıtını teşvik edebilir.
• [FONT:0]Malolik seçimi[Dönetici:0))[[Dönetici:0)))Malolik seçimi[Dönetici:0))) - Noble metaller (platinum, altın, iridium) standarttır, ancak platin-iridium alaşımları gibi gelişmekte olan malzemeler, morflu silikon tır, ve iletken elmas filmleri üstün korozyon direnci ve uzun vadeli stabilite sunar.
• [FONT=0)Encapsulation[[Dönetici:0)[[Döncükler) – ALD-grown oksitler, polimer aşırı kaplamalarla birlikte, vücut sıvılarına karşı hismetik engeller sağlar. Multi-katapsülasyon stratejileri, hayvan modellerinde 1 yıl stabilite göstermiştir.
• [FONT:0]Bioaktif kaplamalar [Dönetici: 1)) – Sinir büyüme faktörü (NGF), beyin-derived nörotrophic faktörü (BDNF), veya laminin elektrot yüzeyindeki peler, dış-kimyasal tepkilerini azaltır ve azaltır.

Sinir arayüzleri için biyokompatlanabilirlik değerlendirmesinin ayrıntılı bir tartışma, [FONTD'de Frontiers'te bu inceleme).

Future Perspectives: Klinik Çeviri ve Gelişen Yollar

Mikro- ve nano-teknolojinin entegrasyonu, sinir arayüzlerini yaygın klinik kullanıma daha yakın hale getirdi. Birkaç trend önümüzdeki on yıl boyunca şekillendirmek muhtemel:

Yüksek Lisans Kayıt ve KapalıLoop Sistemleri

Üretimdeki ilerlemeler, elektrot dizilerini tek bir çip üzerinde binlerce kayıt sitesi ile elde edebilir. ultra-düşük güç elektronikleriyle birlikte, bu diziler, büyük sinir popülasyonlarından gerçek zamanlı olarak büyük sinir bozucu trenleri yakalayabilir.

Kablosuz ve Minimally Invasive Implants

Mikrofabrikasyon teknikleri, kablosuz güç ve veri iletimi için anten anahtarlarının veya ultrasonik transdüserlerin entegrasyonuna izin verir. Nano-teknoloji, bu bileşenlerin boyutunu daha da azaltabilir, pirinçten daha büyük olmayan tam implant edilebilir cihazlara izin verebilir.Bu tür cihazlar enjekte edilebilir veya kontrasepülatif olarak, cerrahi travmaya sokabilir.

Optogenetic ve Hybrid Interfaces

Optik uyarılarla elektrik kaydının (optogenetik) şeffaf elektrotlar ve dalga kılavuz yapıları gerektirir. Mikro- ve nano-fabrikasyon yöntemleri - metal ağ şeffaf elektrotlar veya entegre fotonik dalga kılavuzları gibi - aynı anda ışık ve kayıt elektrik aktivitesini sağlayan “parçalar” oluşturmak için geliştirilir.

Uzun Canlı Biyo-Electronic Interfaces

Mevcut multi-yıl ömrünü aşabilmek için, araştırmacılar, geçici implantlar için kendi kendine özgü elektronikleri, biyo-felse arayüzlerini ve canlı nörodelerin elektrode viability korumak için dahil eden biyo-hipalize arayüzlerini keşfederler. Nano-teknoloji, yerel enerji kaynaklarını sağlamak için enzimlerin veya mikonominin enkaplarını keşfedebilir, periyodik kablosuz şarjlara bağımlılığını azaltabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikro-teknoloji teknikleri, sinirsel arayüz üretimine dönüştürüldü, genetik olarak verimsiz cihazlara dönüştürüldü ve biyokompatlanabilirliği gelişmiştir. Photolithography ve yumuşak lithography, esnek, yüksek yoğunluklu elektrotlar üretmek için en umut verici cihazlardır, elektron kirişi litografisi, atom tabaka depozisyon ve nanotel büyüme, uzaysal çözünürlük ve elektrokimyasal performansın sınırlarını zorlamaktadır.

Araştırma klinik çalışmalara tezgahta gösterilerden hareket ettikçe, malzeme bilim adamları arasında disiplinler arası işbirliği, nörobilimciler, elektrik mühendisleri ve klinikler temel bilgisayar arayüzleri olacaktır. sonraki sinir arabirimleri - sorunsuz, uzun vadeli iletişim (Döneticileri geri yükleme potansiyeline sahip), nörolojik bozukluklara ve beynimizin anlaşılmasına yardımcı olacaktır.