使用新的3D打印的微型可植入設(shè)備，一組研究人員成功地記錄了電脈沖，這些電脈沖驅(qū)動(dòng)鳥類外周神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)聲。由于依賴于薄膜微細(xì)加工和納米級(jí)3D打印的定制技術(shù)，他們能夠制造出大約與人類頭發(fā)直徑相當(dāng)?shù)募{米夾子。它是第一個(gè)用于記錄和刺激周圍神經(jīng)的袖帶電極，其制作規(guī)模與人體最小的神經(jīng)相容，可對(duì)多種疾病進(jìn)行新的治療。
這項(xiàng)技術(shù)在2020年8月21日發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，文章描述該技術(shù)展示了俄勒岡大學(xué)Phil和Penny Knight校園神經(jīng)科學(xué)加速研究的首席研究員Tim Gardner，以及波士頓大學(xué)和葛蘭素史克公司的研究人員的生物電子部門能夠以這種很小的規(guī)模制造納米夾。此外，加德納（Gardner）的研究小組描述了在將設(shè)備植入幾只成年雄性斑馬雀中后，成功記錄了驅(qū)動(dòng)發(fā)聲的電脈沖。
根據(jù)Gardner的說(shuō)法，這項(xiàng)研究被視為生物電子醫(yī)學(xué)新興領(lǐng)域的一項(xiàng)進(jìn)展，最終可能導(dǎo)致針對(duì)炎癥性腸綜合癥，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和糖尿病等疾病的新療法。生物電子醫(yī)學(xué)的目標(biāo)是解碼和調(diào)節(jié)周圍神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)，以獲得對(duì)靶端器官和效應(yīng)器的治療控制。專家認(rèn)為，該領(lǐng)域可以通過(guò)影響身體功能來(lái)替代或補(bǔ)充基于藥物的干預(yù)措施，從而徹底改變醫(yī)學(xué)并顯著改善治療效果并降低醫(yī)療保健成本。盡管如此，設(shè)備小型化仍是未來(lái)生物電子醫(yī)學(xué)成功的關(guān)鍵因素之一，并且根據(jù)研究人員的研究，該領(lǐng)域仍然依賴于一些基于電極的設(shè)備，這些設(shè)備證明很難使用。
Gardner和他的同事建議，納米夾子可以解碼和調(diào)制在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中傳播的電信號(hào)，該神經(jīng)系統(tǒng)包含控制大腦末梢器官的大腦和脊髓外部的神經(jīng)和神經(jīng)元細(xì)胞。此外，生物電子醫(yī)學(xué)試圖調(diào)制這些信號(hào)，以治療一些慢性病，例如哮喘，膀胱控制，高血壓，多囊卵巢綜合癥，甚至在某些COVID-19病例中具有炎癥反應(yīng)。Gardne說(shuō)：“我認(rèn)為許多未來(lái)的設(shè)備將涉及使用標(biāo)準(zhǔn)無(wú)塵室工藝的薄膜微細(xì)加工和微米級(jí)的3D打印的結(jié)合。 這適用于生物醫(yī)學(xué)植入物以及用于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)和其他領(lǐng)域的設(shè)備。”
使用研究小組設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)制作了用于研究的納米夾子。 據(jù)了解，這種打印機(jī)的設(shè)備制造速度比以類似分辨率運(yùn)行的現(xiàn)有商用打印機(jī)快20倍。微型神經(jīng)接口是使用定制的直接激光書寫系統(tǒng)制作的，該系統(tǒng)可以從標(biāo)準(zhǔn)的CAD文件設(shè)計(jì)中打印錨，在這種情況下，使用的是DassaultSystèmes3D設(shè)計(jì)軟件Solidworks。得益于打印速度和數(shù)字設(shè)計(jì)，研究人員可以制造具有各種尺寸和形狀的納米夾，以實(shí)現(xiàn)最佳的貼合度。
為了實(shí)現(xiàn)與小神經(jīng)的大小相匹配的可植入設(shè)備，薄膜電極陣列由封裝在絕緣和生物相容性聚酰亞胺層之間的50納米金層組成。該裝置的厚度和狹窄寬度產(chǎn)生了與周圍組織相當(dāng)?shù)牡蛷澢鷦偠取Ｊ褂镁埘啺繁∧の⒓?xì)加工技術(shù)定制制造薄膜多部位電極，然后將其絲焊到印刷電路板上以連接到測(cè)試設(shè)備。
在整個(gè)研究中使用的37只成年雄性斑馬雀科鳥類的發(fā)聲過(guò)程中，除了獲得穩(wěn)定，高信噪比的神經(jīng)信號(hào)記錄外，該設(shè)備還使研究人員能夠精確控制神經(jīng)的輸出。他們能夠激發(fā)納米夾子內(nèi)六個(gè)電觸點(diǎn)上不同激活空間模式的獨(dú)特發(fā)聲。該研究的作者介紹說(shuō)，這種時(shí)空控制可能對(duì)未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)植入物有用，這些生物植入物不僅試圖激活神經(jīng)，而且對(duì)在終末器官中具有不同功能的神經(jīng)內(nèi)的特定結(jié)構(gòu)具有空間選擇性。
點(diǎn)評(píng)：該設(shè)備的關(guān)鍵特征之一是易于手術(shù)植入，這在未來(lái)的生物電子醫(yī)學(xué)中是一個(gè)重要手段。“想象一下，您必須操縱一條小神經(jīng)，然后用鑷子將一個(gè)裝置纏繞在其上，以打開(kāi)袖帶電極并將其定位在神經(jīng)上。當(dāng)前袖帶電極所需的顯微操作可能會(huì)損害最小的神經(jīng)。相反，只需將3D制成的納米夾子推入神經(jīng)即可將其植入。這種易于植入的方法可用于其他微創(chuàng)手術(shù)。這項(xiàng)研究確實(shí)是針對(duì)亞毫米結(jié)構(gòu)的新制造方法的早期測(cè)試。
這項(xiàng)研究的共同作者認(rèn)為，他們的納米裝置能夠?yàn)榘踩踩耄跀?shù)周的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地記錄高信噪比以及精確調(diào)節(jié)小周圍神經(jīng)提供新的參考。盡管納米夾子的開(kāi)發(fā)利用了數(shù)十年來(lái)使用的其他設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，但在這里，研究人員還是能夠結(jié)合多種因素使設(shè)備與神經(jīng)緊密配合。盡管這項(xiàng)研究是成功的，但研究人員預(yù)計(jì)，將來(lái)有必要進(jìn)一步研究其他物種和神經(jīng)，以進(jìn)一步驗(yàn)證納米夾子的潛力。
在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）的支持下，并與葛蘭素史克公司（GlaxoSmithKline）簽署了一項(xiàng)贊助研究協(xié)議，該研究表明，尺寸精確的納米夾可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鳴禽系統(tǒng)的精確功能調(diào)節(jié)。研究的主要作者，波士頓大學(xué)研究助理教授蒂莫西·奧特奇（Timothy Otchy）及其同事展示了對(duì)末端器官的靈活，精確的控制。以外圍電路功能的閉環(huán)控制為中心的新一代生物電子療法的觸手可及，并可能成為未來(lái)幾十年推進(jìn)醫(yī)療保健的關(guān)鍵。
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