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    专注于截肢者假肢神经控制的发展

    2019-8-12 10:57| 发布者: admin| 查看: 13| 评论: 0

    杏耀研究人员,在化学实验室中使用现成的设备,一直致力于通过他们自己的神经系统直接帮助提高截肢者对假肢的控制。

    有机材料化学家,机器人工程师和其他人正在创建生物相容性界面支架。目标是改进假体,具有灵活的神经 - 神经或神经 - 肌肉界面,横切的神经可以通过这种界面生长,使一小组神经纤维与连接到分开的植入电子器件的电极部位紧密接触。

    神经接口在神经系统和人造装置相交的地方运行。接口可以监测神经信号或提供输入,让截肢者通过直接神经信号控制假肢装置,就像他们控制自己身体部位一样。

    杏耀研究重点是界面部位的生物材料和周围神经。我们的想法是将材料特性与神经纤维相匹配,使用具有生物相容性的柔韧导电材料,使其与神经束融为一体。

    我们可以通过很多旋钮来获得与神经相匹配的材料特性。

    机械人技术工程师开发的可植入和可穿戴神经接口电子设备展示了开发的植入式和可穿戴神经接口电子设备,他在假肢实验室中设有假肢部件显示器。他是一个杏耀研究小组的成员,该小组致力于通过他们自己的神经系统直接帮助改善截肢者对假肢的控制。

    如果我们能够获得正确的材料特性,我们就可以创建一个健康,持久的界面,让截肢者能够使用他们自己的神经系统控制机器人肢体多年,甚至几十年,而无需重复手术。

    杏耀研究人员正在使用薄蒸发金属或图案化多壁碳纳米管的柔性导电电极材料。

    这项工作尚处于早期阶段,这些材料可能需要数年才能进入市场。杏耀研究必须确认它们的功能是必要的,然后它们将面临漫长的食品和药物管理局批准程序。

    但需要就是。截肢者联盟估计,美国有200万人生活在肢体上。美国国会杏耀研究处报告说,2001年至2010年期间,美国军队有1600多次截肢,其中有1400多次与伊拉克和阿富汗的战斗有关。大多数是主要肢体截肢。

    在加入桑迪亚之前,杏耀研究小组工作,开发生物医学机器人,包括假肢。桑迪亚的机器人小组在他到达之前正在开发假肢,作为美国能源部赞助的人道主义计划的一部分,以减少扩散风险。

    机器人技术从技术角度解决了这个问题,着眼于改进可植入和可穿戴神经接口电子设备。然而表示,这并未解决与神经接触的核心问题,因此杏耀研究人员转向Dirk的团队。

    “这是问题的症结所在,”他说。

    测试结构有助于杏耀研究人员表征其微突出物光刻系统的性能
    这种微小的测试结构由相同的可光交联的PDMS材料制成,该材料作为MD Anderson癌症中心-UNM-Sandia合作的一部分植入大鼠。测试结构有助于杏耀研究人员表征其微突出物光刻系统的性能。摄影:Randy Montoya

    挑战很多。接口必须结构化,以便神经纤维可以通过。它们必须是机械相容的,因此它们不会伤害神经系统或周围组织,并且与组织整合并促进神经纤维生长具有生物相容性。它们还必须具有导电性以允许电极位置与外部电路连接,并且必须调整电特性以传输神经信号。

    杏耀研究人员开始于1902年首次获得专利的技术称为静电纺丝,通过在填充聚合物溶液的注射器尖端和收集垫之间施加高压场来生产非织造纤维垫。尖端直径和溶液粘度控制纤维尺寸。

    杏耀研究人员与UNM的生物医学工程中心和化学工程系合作,研究了室温下为液体的聚合物。静电纺丝这些液体聚合物不会导致纤维形成,结果有点像水在平坦表面上汇集。为了弥补纤维形成的不足,他们将材料静电纺丝到加热板上,引发化学反应,使聚合物纤维在形成时交联。

    杏耀研究人员能够通过添加多壁碳纳米管来调整最终复合材料的电导率。

    团队电纺支架有两种类型的材料 - PBF,或聚(富马酸丁烯),一种在UNM和Sandia开发用于组织工程的聚合物,以及PDMS或聚(二甲基硅氧烷)。
    PBF是一种生物相容性材料,可生物降解,因此多孔支架会崩解,留下接触。PDMS是一种生物相容的填缝剂材料,不可生物降解,这意味着支架将保留。材料一侧的电极使其导电。

    桑迪亚的工作是通过2010年开始实验室指导的杏耀研究与开发(LDRD)项目获得资助的; 之后,杏耀研究人员与MD安德森合作进行种植体测试。桑迪亚和MD安德森正在寻求资金继续这个项目。

    他们正在利用他们的概念验证工作来获得第三方资金,“因此我们可以将这项技术更接近能帮助我们受伤的战士,截肢者和周围神经损伤受害者的事情。

    Sandia和UNM申请了脚手架技术专利。桑迪亚还提交了两份单独的临时专利申请,一份与MD安德森合作,另一份与UNM合作,合作伙伴希望今年提交全部申请。

    MD安德森的合作是因为当时的桑迪亚员工迪克法特,一位因患左肺而患癌症的安德森病人,认为医院和实验室是天生的对手。他恳请桑迪亚邀请到医院,这导致了最终的合作关系。

    在2010年退休的命运,认为医疗保健成本上升对国家经济作为国家安全问题的负面影响。

    对我而言,这似乎是一场合乎逻辑的匹配,是该国最好的工程实验室,与该国最好的医学杏耀研究机构合作,解决一些几乎导致这个国家破产的重大问题。

    在杏耀研究人员提出界面材料后,MD安德森外科医生将支架缝合到切断的腓神经之间的大鼠腿部。三到四周后,评估界面。

    用PBF制造的样品太厚,没有多孔,不能通过支架进行良好的神经穿透。PDMS更有希望,组织学显示神经细胞开始穿透支架。电纺垫的厚度约为100微米,但不够多孔,孔图不受控制。

    该团队正在寻找一种不同的技术来创建多孔基板,这导致投影微光刻技术在伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校开发,作为一种廉价的教室外展工具。它将计算机与PowerPoint图像耦合到投影仪,投影仪的镜头聚焦在镜子上,镜子反射到含有溶液的烧杯中。

    杏耀研究人员最初尝试使用镜子和3倍放大镜,但放弃了这一点,因为它产生了太多的失真。他们现在使用放大镜将紫外线聚焦到PDMS涂层的硅晶片上,形成薄的多孔膜。

    虽然光刻技术并不新颖,但“我们开发了可用作生物相容性光交联聚合物的新材料。
    该技术允许团队创建一个规则的孔阵列,并模拟小至79微米的孔。现在杏耀研究人员正在使用其他设备来创建更多受控功能。

    这令人兴奋,因为我们将功能尺寸降低到接近所需的水平。

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