שתלים עצביים מכילים מעגלים משולבים (ICs) – הנקראים בדרך כלל שבבים – הבנויים על סיליקון. שתלים אלה צריכים להיות קטנים וגמישים כדי לחקות נסיבות בתוך גוף האדם. עם זאת, הסביבה בתוך הגוף קורוזיבית, מה שמעלה חששות לגבי העמידות של IC סיליקון מושתלים. צוות חוקרים ממדור הביו-אלקטרוניקה בראשותו של ד"ר ואסיליקי (ואסו) ג'יאקה, עוסק באתגר זה על ידי לימוד מנגנוני הפירוק של IC סיליקון בגוף ועל ידי ציפוים באלסטומרים רכים של PDMS ליצירת מחסומי נוזל גוף המציעים טווח ארוך- הגנה לטווח זמן על שבבים מושתלים. ממצאים אלה לא רק משפרים את אורך החיים של ICs הניתנים להשתלה אלא גם מרחיבים באופן משמעותי את היישומים שלהם בתחום הביו-רפואי. המאמר על פרויקט זה מתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications.
מחקר מכריע על מחלות מוח
שתלים עצביים הם חיוניים על מנת לחקור את המוח ולפתח טיפולים לחולים עם מחלות כמו פרקינסון או דיכאון קליני. שתלים עצביים מגרים, חוסמים או מתעדים אותות מנוירונים או רשתות עצביות במוח. לצורך מחקר וטיפול, ובמיוחד לשימוש כרוני, השתלים העצביים הללו חייבים להיות עמידים.
"לשתלים עצביים ממוזערים יש פוטנציאל עצום לשנות את שירותי הבריאות, אבל היציבות ארוכת הטווח שלהם בגוף היא דאגה גדולה", מסביר ואסו ג'יאקה, חוקר מהאוניברסיטה הטכנית בדלפט. "המחקר שלנו לא רק מזהה אתגרים מרכזיים אלא גם מספק קווים מנחים מעשיים לשיפור המהימנות של מכשירים אלה, ומקרב אותנו לפתרונות קליניים בטוחים ועמידים לאורך זמן."
החוקרים העריכו את הביצועים החשמליים והחומריים של שבבים (משני יצרנים שונים, הידועים גם בשם בתי יציקה) במהלך שנה אחת באמצעות מואץ בַּמַבחֵנָה ו in vivo לימודים. הם השתמשו במבני סיליקון חשופים ושילבו אותם באלסטומרים רכים של PDMS כדי ליצור מחסומי נוזל גוף המציעים הגנה ארוכת טווח לשבבים הניתנים להשתלה. השבבים ששימשו במחקר היו מצופים חלקית ב-PDMS (polydimethylsiloxane), שהוא פולימר המכיל סיליקון. זה יצר שני אזורים על הצ'יפס, אזור 'משטח חשוף' ואזור 'מצופה PDMS'. במהלך המואץ בַּמַבחֵנָה בדוק שהשבבים הושרו במי מלח חמים והוטו חשמלית (נחשפו לזרמי ישר חשמליים). השבבים נוטרו מעת לעת והתוצאות הראו ביצועים חשמליים יציבים. זה הראה שהשבבים נשארו פעילים, גם כשהם נחשפים ישירות לנוזלי הגוף.
ניתוח חומרי השבבים העלה כי הייתה השפלה של השבבים באזורים החשופים, אך הייתה השפלה מוגבלת בלבד באזורים המצופים ב-PDMS.
זה מראה ש-PDMS הוא חומר קפסול המתאים ביותר להשתלה ארוכת שנים. תובנות אלו יאפשרו תכנון של שתלים ביו-אלקטרוניים אקטיביים מתקדמים בקנה מידה של שבבים עבור ממשקי מוח-מחשב זעיר פולשניים ומחקר נוירו-מדעי כרוני. ובהתבסס על התובנות החדשות, מוצעות קווים מנחים שעשויים לשפר את אורך החיים של שבבים מושתלים, ולהרחיב את היישומים שלהם בתחום הביו-רפואי.
מדענים מופתעים
"כולנו הופתענו", משתף דוקטורנט קמביז ננבחש, שהוא המחבר הראשון של עבודה זו. "לא ציפיתי ששבבים יהיו כל כך יציבים כשהם ספוגים ומוטים חשמלית במי מלח חמים."
ואסו גם מתרגש מאוד מתוצאות המחקר. "הממצאים שלנו מוכיחים ששבבי סיליקון חשופים, כאשר הם מתוכננים בקפידה, יכולים לפעול בצורה מהימנה בגוף במשך חודשים. על ידי התמודדות עם אתגרי אמינות ארוכי טווח, אנו פותחים דלתות חדשות לשתלים עצביים ממוזערים ומקדמים את הפיתוח של הדור הבא של ביואלקטרוניקה. מכשירים ביישומים קליניים."
ואסו מדגיש את תפקיד ההגנה של PDMS. "עבודה זו חושפת את התפקיד הקריטי של עטיית סיליקון בהגנה על מעגלים משולבים הניתנים להשתלה מפני השפלה. על ידי הארכת תוחלת החיים של שתלים עצביים, המחקר שלנו פותח מסלולים לטכנולוגיות עמידות ויעילות יותר עבור ממשקי מוח-מחשב וטיפולים רפואיים". קמביז מסכים בלב שלם עם ואסו: "זו הייתה חקירה ארוכה, אבל אני מקווה שהתוצאות יהיו שימושיות עבור רבים".
החוקרים גם נרגשים לפרסום עבודתם בכתב העת המכובד תקשורת טבע.
