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Injizierbare, flexible Elektrode könnte starre nervenstimulierende Implantate ersetzen

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Eine Art von Elektrode, die als Flüssigkeit injiziert und dann im Körper ausgehärtet werden kann, bildet die Grundlage für ein neuartiges neuronales Interface-System.

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Durch die elektrische Stimulation der Nerven können neuromodulatorische Therapien epileptische Anfälle reduzieren, chronische Schmerzen lindern, Depressionen behandeln und eine Vielzahl anderer Gesundheitszustände behandeln, ohne den Einsatz herkömmlicher Medikamente wie Opioide.

Jetzt haben die biomedizinischen Ingenieure der University of Wisconsin-Madison und ihre Mitarbeiter einen bedeutenden Fortschritt erzielt, der die Kosten der Neuromodulationstherapie drastisch senken, ihre Zuverlässigkeit erhöhen und sie viel weniger invasiv machen könnte.

Mit einer Art Elektrode, die als Flüssigkeit injiziert und dann im Körper ausgehärtet werden kann, haben die Forscher den Grundstein für eine neuartige neuronale Grenzfläche gelegt.

Die Forscher stellten ihre Kreation, die Injektionsprobe, in einem Beitrag vor, der in der Zeitschrift Advanced Healthcare Materials veröffentlicht wurde.

Die heutigen Behandlungen zur Neuromodulation basieren auf chirurgisch implantierten Geräten, die bis zu sechsstellig kosten können, komplexe Verfahren erfordern und oft versagen - da es sich um starre Geräte handelt, die versuchen, mit biologischem Weichgewebe zu vernetzen.

Das System der Forscher nutzt eine neue Denkweise.

"Sie können die Flüssigkeit um den Nerv herum injizieren, und sie härtet im Körper aus, um einen drahtgebundenen Kontakt herzustellen", sagt Kip Ludwig, Professor für Biomedizinische Technik und Neurologische Chirurgie bei UW-Madison. "Typische Implantate sind wirklich steif, und wenn sich der Körper bewegt, verschleißen und brechen sie. Unsere Flüssigkeit härtet aus, und das Ergebnis ist viel näher an der normalen Elastizität des Gewebes. Man kann es tatsächlich dehnen und seine Größe um 150% bis 200% erhöhen, ohne seine Leitfähigkeit zu verlieren."

Um die Injektionsprobe herzustellen, mischten die Forscher eine Silikonbasis - ähnlich dem chirurgischen Klebstoff - mit kleinen Metallpartikeln, um die Flüssigkeit ausreichend leitfähig zu machen.

Sie haben ihr Gerät einer Reihe von präklinischen Tests der U.S. Food and Drug Administration (FDA) unterzogen und es verwendet, um Herzfrequenzveränderungen bei Schweinen zu induzieren, indem sie ihren Vagusnerv stimulierten, ein Ansatz, der vielversprechend für die Behandlung von Herzinsuffizienz, Bluthochdruck und anderen Krankheiten ist.

"Wir haben im Wesentlichen das Standardrepertoire der elektrochemischen Tests durchlaufen, um zu zeigen, dass sich diese wie eine normale Drahtelektrode verhält, mit der der Nerv stimuliert werden kann", sagt James Trevathan, Postdoc in Ludwigs Labor und Erstautor der Studie.

Ludwig war Mitautor der Studie und Mitbegründer von Neuronoff, einem auf der Injektionsspritze basierenden Unternehmen, mit dem Professor für Biomedizintechnik der Case Western Reserve University, Andrew Shoffstall, und Neuronoff CEO Manfred Franke. Sie sind auch Teil eines Multi-Institutions-Teams, das kürzlich einen Zuschuss von 2,1 Millionen Dollar von den National Institutes of Health erhielt, um das System zur Stimulation von Spinalnerven als nicht-opioide Alternative zur Behandlung chronischer Rückenschmerzen weiterzuentwickeln.

Das Papier und die Bewilligung stellen wichtige frühe Schritte in einem größeren Versuch dar, ein minimal-invasives System für die neuronale Stimulation zu schaffen.

Als Teil des NIH-Stipendiums testen die Forscher ein Schema, bei dem sie die Flüssigkeit um den Nerv herum injizieren und dann einen dünnen, isolierten Strang des Materials zurück bis knapp unter die Oberfläche der Haut extrudieren, wo sie mehr von dem Verbundmaterial injizieren. Dann können sie mit einer einfachen transkutanen elektrischen Nervenstimulation oder TENS, einer Einheit - wie man sie in einem Kaufhaus oder einer Apotheke kaufen kann - den Nerv von der Hautoberfläche aus stimulieren, was den gesamten Aufbau kostengünstiger und anpassungsfähiger macht als mit herkömmlichen implantierten Elektroden.

"Wir machen einen Bypass von der Hautoberfläche zu dem Ort, den wir stimulieren wollen", sagt Ludwig, der sich vorstellt, irgendwann ein robotergestütztes Chirurgiesystem für einen Eingriff zu verwenden, der mit einem Tattoo vergleichbar wäre. "Da wir immer mehr darüber erfahren, wie wir mit dem Nervensystem interagieren, sind wir nicht auf das beschränkt, was wir durch einen invasiven chirurgischen Eingriff implantiert haben. Wir können tatsächlich ändern, wie wir stimulieren, wie wir mit dem Nerv sprechen, denn wir leiten unsere Verbindung zu diesem tiefen Nerv im Wesentlichen nur zurück an die Oberfläche der Haut."