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Contrôle des membres prothétiques avec des réseaux d'électrodes
Pour concevoir des membres prothétiques avec contrôle moteur et sens du toucher, les chercheurs ont cherché des moyens de connecter des électrodes aux terminaisons nerveuses du bras ou de la jambe, puis de traduire les signaux de ces nerfs en instructions électriques pour déplacer le membre mécanique. Cependant, les cellules nerveuses coupées sur un membre amputé ne peuvent se développer que si une structure est présente pour les soutenir, un peu comme un treillis soutient une vigne en croissance. Et ils sont notoirement pointilleux sur la forme et la taille de cette structure.
Conduits enroulés : Les canaux microscopiques de ce rouleau de polymère ont la bonne taille et la bonne forme pour que des faisceaux de cellules nerveuses sectionnées puissent se développer à travers eux. L'échafaudage, complété par des électrodes, est destiné à transmettre des signaux électriques entre le système nerveux d'un amputé et le membre prothétique.
Les cellules sont comme les gens : elles aiment que les meubles soient de la bonne taille, dit David Martin , ingénieur biomédical à l'Université du Delaware. Ils recherchent un canal doté de l'échelle de longueur « Goldilocks » : la distance qui sépare les crêtes, leur hauteur, leur largeur.
de Ravi Bellamkonda le laboratoire de Georgia Tech a conçu un échafaudage de support tubulaire avec de minuscules canaux qui s'adaptent parfaitement autour des faisceaux de cellules nerveuses. Le groupe a récemment testé la structure avec des cellules ganglionnaires de la racine dorsale et a présenté les résultats lors de la conférence de la Society for Biomaterials plus tôt ce mois-ci.
L'échafaudage commence comme une feuille plate avec de minuscules rainures, semblables à de la tôle ondulée ou du carton. Il est ensuite roulé pour former un cylindre poreux avec de nombreux canaux minuscules adaptés à une croissance saine des cellules nerveuses. Les planchers des conduits servent également d'électrodes, se frottant près des faisceaux nerveux et captant les signaux nerveux. La différence est que les motifs peuvent être contrôlés de manière beaucoup plus précise et que l'orientation des faisceaux nerveux est essentiellement parfaite ici, explique Martin. C'est un bon système modèle, et la capacité de contrôler la croissance nerveuse est ce qui va vraiment être précieux.
Le but ultime est de permettre une communication bidirectionnelle entre le membre prothétique et le porteur. Finalement, cette conception pourrait séparer les deux types de cellules nerveuses au sein d'un faisceau, de sorte que les signaux neuronaux dirigeant le mouvement de la main se déplaceraient le long d'un canal et que les informations sur le toucher et la température du membre prothétique se rendraient au cerveau le long d'un autre canal. Le « jellyroll » devrait en principe [leur] permettre de sélectionner via ces canaux - c'est pour moi que la véritable excitation est, dit Martin. C'est une nouvelle pour l'avenir, mais vous devez être capable de marcher avant de pouvoir courir.
Lors de tentatives précédentes pour exploiter les signaux neuronaux, les scientifiques ont équipé des cellules nerveuses sectionnées d'électrodes à tamis, des disques métalliques plats avec des trous destinés à la croissance des nerfs. Le problème avec l'électrode de tamis est que les nerfs ne s'y développent pas de manière fiable, explique Bellamkonda.
Les travaux actuels sur la croissance des faisceaux nerveux alignés comprennent des supports en mousse avec des pores adaptés à la croissance nerveuse et des tissus avec des nanofibres alignées le long desquelles les nerfs sont destinés à se développer. Mais la conception du jellyroll a le potentiel d'être un cran au-dessus du reste.
L'échafaudage multicanaux pourrait donner une dextérité supplémentaire aux membres prothétiques. Vous devez être capable de stimuler autant d'axones que possible pour le mouvement, et vous devez être capable de capter les signaux d'autant d'axones que possible, explique Akhil Srinivasan, chercheur principal sur le projet. Les électrodes les plus sophistiquées actuellement utilisées au niveau des terminaisons nerveuses ont environ 16 canaux pour contrôler les mouvements. Mais le bras a 22 degrés de liberté. Vous avez besoin d'au moins 22 canaux fiables, dit Mario Romero-Ortega , professeur agrégé de bio-ingénierie à l'Université du Texas, Arlington. C'est la limitation - nous n'en avons que quelques-uns, mais il vous en faut plus.
La nouveauté, de mon point de vue, ce sont les matériaux qu'ils utilisent [sont ceux qu'ils peuvent] augmenter, dit Romero-Ortega. La conception du rouleau d'électrodes s'appuie sur des travaux antérieurs, mais le nouvel échafaudage est composé de matériaux sans danger pour une utilisation biologique. Ils sont les premiers à montrer une croissance in vitro, dit Romero-Ortega.
Pour fabriquer les puces à ADN, une couche de polymère polydiméthylsiloxane est déposée sur une lame de verre pour créer une base mince et uniforme, et une couche d'un polymère sensible à la lumière, SU-8, est ajoutée. La lumière ultraviolette est projetée sur le SU-8 à travers un réseau et les parties de la surface exposées à la lumière se lient pour former des murs. Les sections non liées entre les deux sont ensuite emportées, laissant derrière elles des rangées de conduits. La surface rainurée est recouverte d'une seconde couche de polymère de base, et le sandwich polymère est roulé dans un cylindre.
Jusqu'à présent, le microréseau enroulé manque toujours d'électrodes, mais Srinivasan dit que les prochaines étapes consisteront à insérer des électrodes en or dans la base de l'échafaudage. Le microarray câblé sera ensuite testé dans un modèle de rat.
Je pense que c'est une conception intelligente, dit Dominique Durand , professeur de génie biomédical à la Case Western Reserve University. Ils n'ont toujours pas montré les électrodes, mais c'est un problème pour un autre jour.