Onderzoekers van Penn State University hebben een innovatieve methode ontwikkeld om zachte, op maat gemaakte hersensensoren te produceren met behulp van 3D-printing. Deze zogeheten bio-elektroden sluiten nauw aan op de unieke structuur van het brein en kunnen daardoor nauwkeuriger hersensignalen meten. De technologie biedt kansen voor betere monitoring en behandeling van neurologische aandoeningen, zoals neurodegeneratieve ziekten.
Neurale interfaces maken gebruik van kleine sensoren die elektrische signalen in de hersenen registreren. Traditioneel worden deze sensoren vervaardigd uit stijve materialen in standaardvormen, die onvoldoende aansluiten op de complexe en individuele hersenstructuur. De nieuwe aanpak maakt gebruik van flexibele materialen die zich aanpassen aan de specifieke vorm van het brein van een patiënt.
Simulaties met MRI-scans
Voor het onderzoek werden MRI-scans van 21 personen gebruikt om gedetailleerde simulaties van hun hersenen te maken. Op basis daarvan ontwierpen de onderzoekers elektroden die precies aansluiten op de individuele hersenstructuur, inclusief de karakteristieke windingen (gyri) en groeven (sulci). De resultaten zijn gepubliceerd in Advanced Materials.
Met behulp van geavanceerde software en eindige-elementenanalyse wordt een digitaal 3D-model van het brein gemaakt. Vervolgens wordt een elektrode ontworpen die exact aansluit op het hersenoppervlak. Deze wordt geprint met een techniek genaamd direct ink printing, waarmee zachte hydrogel-structuren kunnen worden geproduceerd. Deze aanpak maakt snelle en relatief goedkope personalisatie mogelijk, in tegenstelling tot traditionele productiemethoden die vaak afhankelijk zijn van dure cleanroomfaciliteiten.
Flexibel materiaal
De elektroden zijn gemaakt van hydrogel, een waterhoudend en zacht materiaal dat beter aansluit bij het hersenweefsel. Daarnaast pasten de onderzoekers een honingraatstructuur toe, die zorgt voor een combinatie van flexibiliteit en stevigheid. Hierdoor kunnen de elektroden zich aanpassen aan het brein zonder schade te veroorzaken.
Volgens onderzoeker Tao Zhou zorgt deze aanpak voor een aanzienlijk betere aansluiting op het hersenoppervlak. Dit leidt tot stabielere en nauwkeurigere metingen van hersensignalen. Bovendien verstoren de elektroden de vochtbalans rond de hersenen niet, wat essentieel is voor een gezonde hersenfunctie.
Eerste tests
In dierproeven met ratten bleken de elektroden gedurende 28 dagen goed te functioneren zonder afweerreacties of prestatieverlies. De sensoren leverden betrouwbare metingen van elektrische en fysiologische signalen.
De onderzoekers zien de technologie als een belangrijke stap richting grootschalige productie van gepersonaliseerde bio-elektroden. In de toekomst willen zij onderzoeken hoe deze sensoren niet alleen gebruikt kunnen worden voor monitoring, maar ook voor gerichte behandeling van hersenaandoeningen. Daarmee komt gepersonaliseerde neurozorg een stap dichterbij.
