Un dispositivo stampato in 3D in grado di registrare e stimolare gli impulsi elettrici che guidano le vocalizzazioni all’interno degli uccelli canori.

GLI SCIENZIATI DELL’OREGON UTILIZZANO UN DISPOSITIVO DI FORMICOLIO NERVOSO STAMPATO IN 3D PER COMPRENDERE MEGLIO IL CANTO DEGLI UCCELLI

I ricercatori dell’Università dell’Oregon (UoM) hanno sviluppato un dispositivo stampato in 3D in grado di registrare e stimolare gli impulsi elettrici che guidano le vocalizzazioni all’interno degli uccelli canori.

Il dispositivo microscopico del team, dotato di un minuscolo elettrodo a film sottile con un alloggiamento stampato in 3D, funziona decodificando e modulando i segnali elettrici inviati al cervello o al midollo spinale. Sfruttando il loro nuovo “nanoclip”, gli scienziati sono stati in grado di controllare con precisione l’emissione nervosa all’interno di una serie di soggetti di test del fringuello zebra, evocando vocalizzazioni predeterminate distinte.

In futuro, la tecnologia alla base del minuscolo dispositivo potrebbe essere implementata all’interno di applicazioni chirurgiche a buco della serratura, o anche nella creazione di nuovi farmaci bioelettronici per malattie come il diabete o l’artrite.

“Immagina di dover manipolare un piccolo nervo e posizionare un dispositivo su di esso utilizzando una pinza sia per aprire un elettrodo a cuffia che per posizionarlo sul nervo”, ha detto Tim Gardner, neuroscienziato presso l’Università dell’Oregon. “La micromanipolazione richiesta con gli attuali elettrodi a cuffia potrebbe essere dannosa per i nervi più piccoli. Al contrario, la nanoclip fabbricata in 3D può essere impiantata semplicemente spingendola sul nervo “.

Il nanoclip stampato in 3D del team dell’Oregon si è dimostrato in grado di tenere in posizione gli elettrodi, stimolando e catturando la voce degli uccelli canori. Immagine tramite la rivista Nature Communications.
I benefici terapeutici della stimolazione nervosa

Un numero crescente di studi clinici sta dimostrando che l’uso mirato della modulazione elettrica all’interno del Sistema Nervoso Periferico (PNS) può avere effetti terapeutici positivi. I primi studi hanno dimostrato che la stimolazione nervosa può trattare efficacemente una serie di malattie come malattie infiammatorie, depressione ed epilessia, tra le altre.

Per sfruttare il potenziale di queste terapie bioelettroniche, è necessario sviluppare nuovi dispositivi basati su elettrodi, in grado sia di mappare che di controllare il comportamento dei nervi. Queste nuove tecnologie PNI (Peripheral Nerve Interface) richiederanno scalabilità, flessibilità e la capacità di essere adattate ai singoli pazienti se dovessero mai trovare usi finali all’interno di un contesto clinico.

I PNI precedenti possono essere ampiamente classificati come dispositivi intraneurali, rigenerativi o extra-neurali. Le PNI intraneurali possono spesso essere posizionate molto vicino al nervo, producendo eccellenti capacità di registrazione e stimolazione. Al rovescio della medaglia, tali dispositivi sono generalmente piuttosto grandi, il che causa un rischio sostanziale di cicatrici, traumi nervosi e interruzione del flusso sanguigno.

“I DISPOSITIVI FUTURI COMPORTERANNO UNA COMBINAZIONE DI MICROFABBRICAZIONE A FILM SOTTILE E STAMPA 3D SU SCALA MICRON”.

Al contrario, i PNI rigenerativi sfruttano la capacità dei nervi periferici di ristabilire le connessioni dopo la transezione, ma questo approccio richiede lunghi periodi di attesa per la ricrescita dei nervi. Di conseguenza, le soluzioni rigenerative hanno trovato usi terapeutici limitati e sono state generalmente difficili da sperimentare. Gli elettrodi extra-neurali sono la forma più utilizzata di PNI, perché utilizzano un polimero isolante per evitare qualsiasi danno ai nervi.

La natura più piccola delle PNI extra-neurali ha tuttavia un costo e il loro ridotto accesso elettrico alle fibre nervose fa sì che abbiano capacità di registrazione e stimolazione limitate. Nel tentativo di ottimizzare l’approccio extra-neurale, il team dell’Oregon ha integrato un elettrodo a film sottile multicanale più potente nel design della nanoclip inizialmente sviluppato nel 2017.

Utilizzando il loro dispositivo aggiornato, il team ha ipotizzato che sarebbe stato possibile ottenere un alto livello di registrazioni del rapporto segnale-rumore (SNR). Più sostanzialmente, i ricercatori credevano anche che una modulazione precisa avrebbe consentito loro di controllare la funzionalità degli organi. La tecnologia alla base di tale stimolazione nervosa potrebbe essere potenzialmente redditizia, sbloccando una serie di trattamenti terapeutici avanzati in futuro.

Il nuovo nanoclip presentava una sezione “on” e “off” (nella foto) che ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione l’attività neurale del nervo. Immagine tramite la rivista Nature Communications.
Lo stimolatore stampato in 3D dei ricercatori dell’Oregon

Per creare il loro dispositivo di microstimolazione, gli scienziati hanno implementato un approccio combinato di microfabbricazione a film sottile e stampa 3D su nanoscala. Adattando la scala e il tessuto periferico dei piccoli nervi, la matrice di elettrodi a film sottile è stata prodotta con uno strato d’oro da 50 nm e una profondità complessiva di 12 µm e una larghezza ridotta di 250 µm.

Lo stesso array di elettrodi consisteva di sei cuscinetti d’oro (45 × 80 µm ciascuno in una griglia 2 × 3), e questo è stato posizionato all’interno di una regione di 260 × 105 µm sulla testa della sonda, dandogli una lunghezza totale di 40 mm. Per fissare il dispositivo sul nervo, il team ha utilizzato la nanoclip stampata in 3D, che consisteva in due botole incernierate all’ingresso di una cavità semicilindrica, che passava proprio attraverso l’array e la teneva in posizione.

Sfruttare un approccio basato sulla produzione additiva ha consentito al team di fabbricare rapidamente lo stimolatore in modo preciso e ripetibile, con una termoplastica economica e disponibile gratuitamente. Inoltre, modellando il dispositivo in anticipo, gli scienziati sono stati in grado di ridurre potenziali errori che potrebbero causare irritazione a potenziali futuri pazienti.

Per testare l’efficacia del loro dispositivo nanoclip, il team ha eseguito la modellazione meccanica agli elementi finiti delle sue botole. I risultati hanno mostrato che il suo impatto sul nervo avrebbe un limite di forza superiore di ~ 120 µN, significativamente superiore a 1,25–7,5 µN richiesto. L’analisi della simulazione ha anche rivelato che il dispositivo era sufficientemente robusto per resistere alle forze biomeccaniche dell’impianto e alla dinamica del corpo, un altro ostacolo che impedisce l’adozione di altri PNI.

I test hanno rivelato che il nanoclip (nella foto) possedeva una forza più che sufficiente per sopravvivere alle dinamiche interne del corpo dell’uccello canoro.
Con l’obiettivo di convalidare le capacità in vivo del loro nanoclip, il team dell’Oregon ha stimolato e registrato le risposte dei composti dai nervi tracheosiringei dei fringuelli zebra anestetizzati. I nervi degli uccelli canori sono stati utilizzati perché sono simili a quelli esibiti in altri mammiferi e la rottura dei nervi causata dal dispositivo porterebbe a un cambiamento udibile nel canto ripetitivo dei fringuelli.

Dopo l’impianto, i ricercatori sono stati in grado di evocare risposte composte dagli uccelli, provocando solo un piccolo e insignificante cambiamento al loro canto degli uccelli più abituato. Dopo il successo delle prove iniziali, il team ha affermato che la tecnologia di stampa 3D su microscala dietro il loro dispositivo microclip, potrebbe potenzialmente contenere una serie di applicazioni umane in futuro.

“Questo studio è davvero un primo test per nuovi metodi di fabbricazione incentrati su strutture submillimetriche”, ha detto Gardner. “L’obiettivo principale del lavoro nel mio laboratorio è perfezionare i metodi per integrare la fabbricazione di film sottile e la stampa 3D con risoluzione micron e utilizzare questi strumenti per creare nuovi tipi di dispositivi”.

Le applicazioni ad ampio raggio della stampa 3D nano

Sebbene diverse aziende abbiano già commercializzato la produzione additiva su scala nanometrica, la tecnologia stessa è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Di conseguenza, numerosi ricercatori stanno attualmente lavorando per ottimizzare il processo di nanoproduzione.

I ricercatori dell’Università di Dayton hanno sviluppato un metodo migliorato e più conveniente per la stampa 3D di strutture su nanoscala. La tecnica di nano stampa Opto-Thermo-Mechanical (OTM) si è dimostrata in grado di stampare a un livello di precisione inferiore a 100 nanometri.

Scienziati del Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems (IMM) stanno lavorando a un nuovo processo per la fabbricazione di nanostrutture . Combinando l’assorbimento di due fotoni con leghe disponibili in commercio, il team è stato in grado di stampare in 3D in nanoscala direttamente su parti metalliche.

Un team di ricerca presso l’ Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia ha utilizzato la deposizione indotta da fascio di elettroni focalizzati su strutture nanometriche di stampa 3D. Lavorando con un team della Graz University of Technology , hanno sviluppato una tecnica basata sulla simulazione per creare nano-oggetti ad alta fedeltà prevedibilmente e ripetutamente.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Interfacce stampabili su microscala per mappatura dei nervi periferici a lungo termine e controllo di precisione “, che è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications. Il rapporto è stato scritto in collaborazione con Timothy M. Otchy, Christos Michas, Blaire Lee, Krithi Gopalan, Vidisha Nerurkar, Jeremy Gleick, Dawit Semu, Louis Darkwa, Bradley J. Holinski, Daniel J. Chew, Alice E. White e Timothy J Gardner.

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