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Control de extremidades protésicas con matrices de electrodos
Para diseñar extremidades protésicas con control motor y sentido del tacto, los investigadores han estado buscando formas de conectar electrodos a las terminaciones nerviosas del brazo o la pierna y luego traducir las señales de esos nervios en instrucciones eléctricas para mover la extremidad mecánica. Sin embargo, las células nerviosas cortadas en una extremidad amputada solo pueden crecer si hay una estructura que las soporte, de la misma manera que un enrejado sostiene una enredadera en crecimiento. Y son notoriamente quisquillosos con la forma y el tamaño de esa estructura.
Conductos enrollados: Los canales microscópicos de este rollo de polímero tienen el tamaño y la forma adecuados para que los haces de células nerviosas cortadas crezcan a través de ellos. El andamio, aumentado con electrodos, está diseñado para transmitir señales eléctricas entre el sistema nervioso de una persona amputada y la prótesis.
Las celdas son como las personas: les gustan los muebles para sentarse que tienen el tamaño adecuado, dice David Martín , ingeniero biomédico de la Universidad de Delaware. Están buscando un canal que tenga la escala de longitud de 'Ricitos de oro': qué tan alejadas están las crestas, qué tan altas son, qué tan [anchas] son.
De Ravi Bellamkonda El laboratorio de Georgia Tech ha diseñado un andamio de soporte tubular con canales diminutos que encajan perfectamente alrededor de haces de células nerviosas. El grupo probó recientemente la estructura con células ganglionares de la raíz dorsal y presentó los resultados en la conferencia de la Sociedad de Biomateriales a principios de este mes.
El andamio comienza como una hoja plana con pequeñas ranuras, similar al hierro corrugado o al cartón. Luego se enrolla para formar un cilindro poroso con muchos canales diminutos adecuados para el crecimiento saludable de las células nerviosas. Los pisos de los conductos se doblan como electrodos, se acercan a los haces de nervios y captan las señales nerviosas. Lo que es diferente es que los patrones pueden controlarse con mucha más precisión, y la orientación de los haces de nervios es esencialmente perfecta aquí, dice Martin. Es un buen sistema modelo, y la capacidad de controlar el crecimiento de los nervios es lo que realmente será valioso.
El objetivo final es permitir una comunicación bidireccional entre la prótesis y el usuario. Eventualmente, este diseño podría separar los dos tipos de células nerviosas dentro de un paquete, por lo que las señales neuronales que dirigen el movimiento de la mano viajarían a lo largo de un canal y la información sobre el tacto y la temperatura de la prótesis viajaría al cerebro a lo largo de otro canal. En principio, el 'jellyroll' debería permitirles seleccionar a través de esos canales, que para mí es donde está la verdadera emoción, dice Martin. Esas son noticias para el futuro, pero debes poder caminar antes de poder correr.
En intentos anteriores de aprovechar las señales neuronales, los científicos han equipado las células nerviosas cortadas con electrodos de tamiz, discos de metal planos con orificios destinados a que los nervios crezcan a través de ellos. El problema con el electrodo de tamiz es que los nervios no crecen en él de manera confiable, dice Bellamkonda.
El trabajo actual sobre el crecimiento de haces de nervios alineados incluye soportes de espuma con poros adecuados para el crecimiento de los nervios y tejidos con nanofibras alineadas a lo largo de las cuales los nervios están destinados a crecer. Pero el diseño de gelatina tiene el potencial de ser un corte por encima del resto.
El andamio multicanal podría proporcionar una mayor destreza a las prótesis. Debe poder estimular tantos axones como sea posible para el movimiento, y debe poder captar señales de tantos axones como sea posible, dice Akhil Srinivasan, investigador principal del proyecto. El más sofisticado de los electrodos que se utilizan actualmente en las terminaciones nerviosas tiene alrededor de 16 canales para controlar el movimiento. Pero el brazo tiene 22 grados de libertad. Necesita al menos 22 canales confiables, dice Mario Romero-Ortega , profesor asociado de bioingeniería en la Universidad de Texas, Arlington. Esa es la limitación: solo tenemos unos pocos, pero necesitas más.
La novedad, desde mi perspectiva, son los materiales que usan [son los que pueden] escalar, dice Romero-Ortega. El diseño del rodillo de electrodos se basa en trabajos anteriores, pero el nuevo andamio está hecho de materiales que son seguros para uso biológico. Son los primeros en mostrar un crecimiento in vitro, dice Romero-Ortega.
Para hacer los microarrays, se coloca una capa del polímero polidimetilsiloxano sobre un portaobjetos de vidrio para crear una base delgada y uniforme, y se agrega una capa de un polímero sensible a la luz, SU-8. La luz ultravioleta se ilumina en el SU-8 a través de una rejilla, y las partes de la superficie expuestas a la luz se unen para formar paredes. Las secciones no adheridas en el medio se eliminan luego por lavado, dejando una fila tras otra de conductos. La superficie ranurada se cubre con una segunda capa de polímero base y el sándwich de polímero se enrolla en un cilindro.
Hasta ahora, el microarray enrollado todavía carece de electrodos, pero Srinivasan dice que los próximos pasos serán insertar electrodos de oro en la base del andamio. La micromatriz cableada se probará en un modelo de rata.
Creo que es un diseño inteligente, dice Dominique durand , profesor de ingeniería biomédica en la Universidad Case Western Reserve. Todavía no han mostrado los electrodos, pero eso es un problema para otro día.