Interfacce neurali stampate in 3D che consentono di personalizzare rapidamente gli impianti muscolari e neurali per il monitoraggio e il ripristino delle funzioni motorie e autonome

I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnologia di stampa 3D che consente di personalizzare rapidamente gli impianti muscolari e neurali per il monitoraggio e il ripristino delle funzioni motorie e autonome. Le interfacce neurali possono essere utilizzate per collegare il cervello ai computer e potrebbero consentire alla bioelettronica personalizzata di trattare pazienti con problemi del sistema nervoso, come la sclerosi multipla, l’epilessia, l’Alzheimer e il morbo di Parkinson.

In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Biomedical Engineering , un team guidato da Ivan Minev, professore di Intelligent Healthcare Technologies presso l’ Università di Sheffield , in Inghilterra, e Pavel Musienko, capo del Neuroprosthetics Lab presso l’Università statale di San Pietroburgo , in Russia , ha creato un impianto neurale che è stato utilizzato per stimolare il midollo spinale di modelli animali con lesioni del midollo spinale. La tecnologia ora ha il potenziale per sviluppare nuovi trattamenti per pazienti umani con paralisi.

Gli impianti di elettrodi stampati da microparticelle di platino e silicone possono essere adattati all’anatomia dei tessuti elettrogeni.

Questo nuovo approccio specifico per il paziente è possibile grazie alla tecnologia di stampa 3D ibrida NeuroPrint sviluppata presso l’Università statale di San Pietroburgo. Utilizzando una bioprinter 3DDiscovery dell’azienda svizzera di biotecnologie 3D RegenHU , hanno creato la geometria del futuro impianto in silicone, che funge anche da materiale isolante. Quindi microparticelle di platino o un altro elemento elettricamente conduttivo dell’impianto vengono applicate alla struttura e quindi la superficie viene attivata dal plasma freddo.

Il numero e la configurazione degli elettrodi nell’impianto neurale possono essere modificati, producendo dispositivi per l’impianto nel tessuto del midollo spinale, del cervello o dei muscoli. Inoltre, il tempo medio di produzione dalla creazione del progetto alla prototipazione può richiedere solo 24 ore. La capacità della stampa ibrida di integrare materiali morbidi e compositi nei dispositivi bioelettronici si è dimostrata ben adattata a varie strutture anatomiche e modelli sperimentali per indagare, abilitare e recuperare le funzioni del sistema neuromuscolare.

I neuroscienziati hanno già sfruttato la tecnologia NeuroPrint per effettuare ricerche su vari oggetti modello. Attraverso il monitoraggio e l’attivazione dei percorsi neuronali nel cervello, nel midollo spinale e nel sistema neuromuscolare di gatti, ratti e zebrafish, il team ha dimostrato che le interfacce bioelettroniche stampate consentivano l’integrazione a lungo termine e la stabilità funzionale.

“Abbiamo testato il nostro sviluppo in esperimenti su ratti che si muovono liberamente per la registrazione cronica dei segnali elettrocorticali della corteccia cerebrale, che è un elemento necessario dell’interfaccia cervello-computer”, ha detto Musienko. “Gli esperimenti su animali paralizzati hanno dimostrato che la stimolazione elettrica delle reti neurali ripristina efficacemente la funzione locomotoria. Pertanto, la tecnologia NeuroPrint apre nuove opportunità sia per la ricerca di base sul sistema nervoso centrale che per la neuroprotesi quando le persone soffrono di varie malattie e lesioni “.

Secondo la ricerca, le interfacce neuromuscolari sono necessarie per tradurre le tecnologie bioelettroniche per l’applicazione nella medicina clinica. Le interfacce neurali stabiliscono la comunicazione tra sistemi biologici e dispositivi elettronici, motivo per cui la possibilità di interfacciarsi con circuiti neurali ha attratto una nuova generazione di ricercatori e aziende, come Neuralink , la società di ingegneria neurale di Elon Musk fondata per creare interfacce cervello-macchina per aiutare le persone con paralisi. Lo sviluppatore di strumenti scientifici Qrons ha anche annunciato una ricerca per sviluppare materiali biocompatibili innovativi stampabili in 3D per il trattamento delle lesioni cerebrali penetranti. Mentre all’inizio di quest’anno, un team di ricercatori del MIT ha fattoimpianti che non sono solo abbastanza morbidi per il corpo umano, ma abbastanza conduttivi da interagire con il cervello umano.

Prototipo di impianti bioelettronici morbidi da utilizzare come interfacce neuromuscolari.

Collegare il cervello umano a un computer tramite un’interfaccia neurale è un’ambizione per molti ricercatori. Tuttavia, l’innovazione nel campo è ostacolata dagli enormi costi e dai lunghi tempi di sviluppo necessari per produrre prototipi, necessari per esplorare nuovi trattamenti. Secondo l’Università di Sheffield, la tecnologia promette un grande potenziale per portare nuove cure mediche per le lesioni al sistema nervoso basate su una fusione di biologia ed elettronica. La visione si basa su impianti in grado di rilevare e fornire piccoli impulsi elettrici nel cervello e nel sistema nervoso.

Attraverso il nuovo studio, il team ha dimostrato come la tecnologia di stampa 3D possa essere utilizzata per rendere gli impianti prototipo molto più rapidi ed economici al fine di accelerare la ricerca e lo sviluppo nell’area. Il team afferma che gli impianti possono essere facilmente adattati per indirizzare aree specifiche o problemi all’interno del sistema nervoso.

Inoltre, utilizzando la nuova tecnica, un neuroscienziato potrebbe ordinare un progetto che il team di ingegneri può trasformare in un modello di computer che fornisce istruzioni alla stampante. La stampante applicherebbe quindi una tavolozza di materiali biocompatibili e meccanicamente morbidi per realizzare il design. L’impianto può essere modificato rapidamente se sono necessarie modifiche, offrendo ai neuroscienziati un modo più rapido ed economico per testare le loro idee per potenziali trattamenti.

“La ricerca che abbiamo avviato alla TU Dresden ( Università della tecnologia di Dresda ) e proseguita qui a Sheffield ha dimostrato come la stampa 3D possa essere sfruttata per produrre prototipi di impianti a una velocità e a un costo che non erano mai stati fatti prima, il tutto mantenendo gli standard necessario per sviluppare un dispositivo utile “, ha spiegato Minev. “La potenza della stampa 3D significa che gli impianti prototipo possono essere rapidamente modificati e riprodotti di nuovo secondo necessità per aiutare a portare avanti la ricerca e l’innovazione nelle interfacce neurali”.

La piattaforma integrata per la stampa ibrida combina l’erogazione a getto d’inchiostro di inchiostri conduttivi a bassa viscosità, l’estrusione di paste siliconiche isolanti e l’attivazione della superficie in situ tramite plasma ad aria fredda.

I ricercatori hanno dimostrato che le stampanti 3D possono produrre impianti in grado di comunicare con cervello e nervi. A seguito di questo primo lavoro, mirano a dimostrare come i dispositivi siano robusti se impiantati per lunghi periodi. L’ambizione dei ricercatori, tuttavia, è quella di tradurre il loro lavoro in clinica e aprire le possibilità della medicina personalizzata ai neurochirurghi. Minev e Musienko hanno espresso il desiderio di vedere l’innovativa tecnologia dell’impianto neurale in sala operatoria. Suggerendo che forse in futuro sarà possibile produrre impianti neurali specifici per il paziente direttamente in ospedale, mentre il paziente viene preparato per l’intervento chirurgico.

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