Η καλλιέργεια νευρωνικών ιστών αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών εγκεφαλικής μηχανικής. Ωστόσο, οι υπάρχουσες συσκευές που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη και καταγραφή νευρωνικών δικτύων, οι οποίες κατασκευάζονται με ημιαγωγικές διαδικασίες, έχουν σημαντικούς περιορισμούς. Συγκεκριμένα, είναι δύσκολο να τροποποιηθεί το σχήμα τους ή να δημιουργηθούν σύνθετα τρισδιάστατα 3D νευρωνικά chips που μιμούνται καλύτερα τη φυσιολογική αρχιτεκτονική του εγκεφάλου.

Μια ομάδα ερευνητών στο KAIST, με επικεφαλής τον καθηγητή Yoonkey Nam από το Τμήμα Βιοϊατρικής και Μηχανικής Εγκεφάλου, βρήκε μια καινοτόμο λύση. Σκέφτηκαν «έξω από το κουτί» και ανέπτυξαν ένα εξατομικευμένο 3D νευρωνικό chips, χρησιμοποιώντας 3D εκτύπωση και καπιλαρική δράση για τη δημιουργία ηλεκτροδίων μέσα σε πολύπλοκες δομές. Η μελέτη τους δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Functional Materials.

Καινοτόμος προσέγγιση κατασκευής

Παραδοσιακά, η κατασκευή 3D μικροηλεκτροδικών πλεγμάτων (microelectrode arrays) βασιζόταν σε ημιαγωγικές διαδικασίες με περιορισμένη δυνατότητα σχεδίασης και υψηλό κόστος. Ακόμη και οι πιο πρόσφατες τεχνικές 3D εκτύπωσης αντιμετώπιζαν περιορισμούς, επειδή ακολουθούσαν τη σειρά «σχεδίαση αγώγιμου υλικού → επίστρωση μονωτικού → άνοιγμα ηλεκτροδίου».

Η ομάδα του KAIST αναστρέφει τη διαδικασία. Πρώτα, χρησιμοποιούν έναν 3D εκτυπωτή για να δημιουργήσουν ένα κοίλο μονωτικό σκελετό με μικρο-τούνελ. Αυτή η δομή λειτουργεί ως σταθερό υπόστρωμα για την εισαγωγή αγώγιμου υλικού σε τρισδιάστατο χώρο, ενώ υποστηρίζει την ανάπτυξη πολύπλοκων 3D νευρωνικών δικτύων. Στη συνέχεια, η καπιλαρική δράση επιτρέπει να γεμίσουν αυτά τα εσωτερικά τούνελ με αγώγιμο μελάνι, δημιουργώντας ένα 3D μικροηλεκτροδικό πλέγμα με μεγαλύτερη ελευθερία στη διάταξη των ηλεκτροδίων.

Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να κατασκευάζουν chips σε διάφορα σχήματα – όπως probe-type, cube-type ή modular-type – και να χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά για τα ηλεκτρόδια, όπως γραφίτη, αγώγιμα πολυμερή ή νανοσωματίδια αργύρου. Το αποτέλεσμα είναι η δυνατότητα ταυτόχρονης μέτρησης πολλαπλών νευρωνικών σημάτων, τόσο εντός όσο και εκτός του 3D δικτύου, επιτρέποντας την ακριβή ανάλυση της δυναμικής αλληλεπίδρασης και συνδεσιμότητας μεταξύ των νευρώνων.

Πλεονεκτήματα για την έρευνα εγκεφάλου

Η νέα τεχνολογία αυξάνει σημαντικά την ελευθερία σχεδίασης και τη λειτουργικότητα των 3D νευρωνικών chips. Με την ευελιξία που προσφέρει η 3D εκτύπωση, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργούν προσαρμοσμένα νευρωνικά δίκτυα που προσομοιώνουν καλύτερα την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου, κάτι που ήταν δύσκολο ή αδύνατο με τα παραδοσιακά semiconductor-based chips.

Επιπλέον, η μέθοδος αυτή μειώνει το κόστος κατασκευής και επιτρέπει μεγαλύτερη προσαρμοστικότητα, υποστηρίζοντας διαφορετικές εφαρμογές, από βασική έρευνα εγκεφάλου έως εφαρμογές σε βιοαισθητήρες κυττάρων και βιολογικούς υπολογιστές (biocomputing).

Ο καθηγητής Nam τονίζει: «Η συνδυασμένη χρήση 3D εκτύπωσης και καπιλαρικής δράσης αποτελεί ένα επίτευγμα που διευρύνει σημαντικά την ελευθερία στην κατασκευή νευρωνικών chips. Αναμένεται να συμβάλει τόσο στη θεμελιώδη έρευνα εγκεφάλου όσο και σε εφαρμοσμένα πεδία τεχνολογίας βιοαισθητήρων».

Πρακτικές εφαρμογές και προοπτικές

Η δυνατότητα προσαρμογής των chips σε διαφορετικά σχήματα και η χρήση ποικίλων αγώγιμων υλικών επιτρέπει τη μελέτη σύνθετων νευρωνικών δικτύων σε τρισδιάστατο περιβάλλον, προσομοιώνοντας καλύτερα τη φυσιολογική λειτουργία του εγκεφάλου. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε:

• Ακριβέστερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ νευρώνων.

• Ανάπτυξη κυτταρικών βιοαισθητήρων για διάγνωση ασθενειών.

• Βελτιστοποίηση βιολογικών υπολογιστικών συστημάτων και νευροτεχνολογικών εφαρμογών.

Η νέα πλατφόρμα μπορεί επίσης να υποστηρίξει την έρευνα σε διαφορετικές κλίμακες, από μικροδίκτυα με μερικούς νευρώνες έως μεγαλύτερα σύνθετα δίκτυα, καθιστώντας την ένα ισχυρό εργαλείο για επιστήμονες και μηχανικούς εγκεφάλου.

Η δημιουργία εξατομικευμένων 3D νευρωνικών chips αποτελεί σημαντική καινοτομία στην έρευνα εγκεφάλου. Συνδυάζοντας 3D εκτύπωση και καπιλαρική δράση, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να υπερβούν τους περιορισμούς των παραδοσιακών ημιαγωγικών τεχνικών, προσφέροντας μεγαλύτερη ελευθερία σχεδιασμού, ευελιξία και ακρίβεια στις μετρήσεις.

Η τεχνολογία αυτή ανοίγει το δρόμο για νέες εφαρμογές στη βασική και εφαρμοσμένη νευροεπιστήμη, από τη μελέτη δικτύων νευρώνων έως την ανάπτυξη βιοαισθητήρων και βιολογικών υπολογιστών. Η «σκέψη έξω από το κουτί» δείχνει ότι οι συνδυασμένες προσεγγίσεις μπορούν να φέρουν επανάσταση στη νευροτεχνολογία και τη μελέτη του εγκεφάλου.