Bu cihazlar nöronların etrafını sıkıca sararak bilim insanlarının beynin hücre altı bölgelerini incelemesine yardımcı olabilir ve hatta bazı beyin fonksiyonlarının geri kazanılmasına bile yardımcı olabilir.

Akıllı saatler ve fitness takip cihazları gibi giyilebilir cihazlar, kalp atış hızımız veya uyku evrelerimiz gibi iç süreçleri ölçmek ve bunlardan öğrenmek için vücudumuzun bölümleriyle etkileşime girer.

MIT araştırmacıları, vücuttaki bireysel hücreler için benzer işlevleri yerine getirebilecek giyilebilir cihazlar geliştirdiler.

Yumuşak bir polimerden yapılmış, pilsiz, hücre altı boyutundaki bu cihazlar, ışıkla kablosuz olarak çalıştırıldığında hücrelere zarar vermeden aksonlar ve dendritler gibi nöronların farklı kısımlarının etrafını nazikçe saracak şekilde tasarlanmıştır. Nöral süreçleri sıkıca sararak, bir nöronun elektriksel ve metabolik aktivitesini hücre altı düzeyde ölçmek veya modüle etmek için kullanılabilirler.

Bu cihazlar kablosuz ve serbestçe yüzebildiği için araştırmacılar, bir gün binlerce küçük cihazın enjekte edilebileceğini ve daha sonra ışık kullanılarak invaziv olmayan bir şekilde çalıştırılabileceğini öngörüyor. Araştırmacılar, vücudun dışından gönderilen ve dokuya nüfuz edip cihazları çalıştıracak olan ışık dozunu manipüle ederek, giyilebilir cihazların hücrelerin etrafına nasıl nazikçe sarılacağını hassas bir şekilde kontrol edecekler.

Nöronlar arasında ve vücudun diğer kısımlarına elektriksel uyarılar ileten aksonları sararak, bu giyilebilir cihazlar multipl skleroz gibi hastalıklarda meydana gelen bazı nöronal bozulmaları onarmaya yardımcı olabilir. Uzun vadede, cihazlar tek tek hücreleri ölçebilen ve modüle edebilen küçük devreler oluşturmak için diğer malzemelerle entegre edilebilir.

MIT Medya Laboratuvarı ve Nörobiyolojik Mühendislik Merkezi’nde AT&T Kariyer Geliştirme Yardımcı Doçenti, Nano-Sibernetik Biotrek Laboratuvarı başkanı ve bu teknikle ilgili bir makalenin kıdemli yazarı olan Deblina Sarkar, “Burada tanıttığımız konsept ve platform teknolojisi, gelecekteki araştırmalar için muazzam olasılıklar ortaya çıkaran bir temel taşı gibidir” diyor.

Sarkar’a makalede eski MIT doktora sonrası araştırmacısı ve şu anda Novartis İnovasyon Üyesi olan baş yazar Marta JI Airaghi Leccardi; MIT doktora sonrası araştırmacısı Benoît XE Desbiolles; çalışma sırasında MIT lisans araştırmacısı olan Anna Y. Haddad ’23; ve MIT lisansüstü öğrencileri Baju C. Joy ve Chen Song eşlik ediyor. Araştırma bugün Nature Communications Chemistry’de yayınlanıyor .

Sıkıca sarılmış hücreler

Beyin hücreleri karmaşık şekillere sahiptir, bu da nöronlara veya nöronal süreçlere sıkıca uyum sağlayabilen bir biyoelektronik implant oluşturmayı aşırı derecede zorlaştırır. Örneğin, aksonlar nöronların hücre gövdesine bağlanan ince, kuyruk benzeri yapılardır ve uzunlukları ve eğrilikleri büyük ölçüde değişir.

Aynı zamanda aksonlar ve diğer hücresel bileşenler hassastır, dolayısıyla onlarla etkileşime girecek herhangi bir cihazın onlara zarar vermeden iyi bir temas sağlayacak kadar yumuşak olması gerekir.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için MIT araştırmacıları, sardıkları hücrelere zarar vermeyen azobenzen adı verilen yumuşak bir polimerden ince film cihazları geliştirdiler.

Bir malzeme dönüşümü nedeniyle, ince azobenzen tabakaları ışığa maruz kaldığında yuvarlanır ve hücrelerin etrafına sarılmalarını sağlar. Araştırmacılar, ışığın yoğunluğunu ve polarizasyonunu ve ayrıca cihazların şeklini değiştirerek yuvarlanmanın yönünü ve çapını hassas bir şekilde kontrol edebilirler.

İnce filmler, bir mikrometreden daha küçük çaplara sahip minik mikrotüpler oluşturabilir. Bu, onların çok kavisli aksonların ve dendritlerin etrafına nazikçe ama sıkı bir şekilde sarılmasını sağlar.

Sarkar, “Yuvarlanmanın çapını çok ince bir şekilde kontrol etmek mümkün. Işık enerjisini buna göre ayarlayarak istediğiniz belirli bir boyuta ulaştığınızda durabilirsiniz,” diye açıklıyor.

Araştırmacılar, ölçeklenebilir ve yarı iletken temiz odası kullanımını gerektirmeyen bir süreç bulmak için çeşitli üretim teknikleri denediler.

Mikroskobik giyilebilir cihazlar üretmek

Araştırmacılar, suda çözünen bir malzemeden oluşan bir fedakarlık katmanına bir damla azobenzen bırakarak başlıyorlar. Daha sonra araştırmacılar, fedakarlık katmanının üstüne binlerce küçük cihaz kalıplamak için polimer damlasına bir damga bastırıyorlar. Damgalama tekniği, dikdörtgenlerden çiçek şekillerine kadar karmaşık yapılar oluşturmalarını sağlıyor.

Bir pişirme adımı tüm çözücülerin buharlaşmasını sağlar ve ardından ayrı cihazlar arasında kalan herhangi bir malzemeyi kazımak için aşındırma kullanırlar. Son olarak, kurban edilen tabakayı suda çözerler ve binlerce mikroskobik cihazı sıvıda serbestçe yüzer halde bırakırlar.

Serbest yüzen cihazlarla bir çözüme sahip olduklarında, cihazları yuvarlanmaya teşvik etmek için cihazları ışıkla kablosuz olarak çalıştırdılar. Serbest yüzen yapıların, aydınlatma durduktan sonra bile şekillerini günlerce koruyabildiğini buldular.

Araştırmacılar, yöntemin tamamının biyouyumlu olduğundan emin olmak için bir dizi deney gerçekleştirdiler.

Yuvarlanmayı kontrol etmek için ışığın kullanımında mükemmelleştikten sonra, cihazları sıçan nöronları üzerinde test ettiler ve hasara yol açmadan oldukça kavisli akson ve dendritlerin etrafına sıkıca sarılabildiklerini buldular.

“Bu hücrelerle yakın arayüzlere sahip olmak için, cihazların yumuşak olması ve bu karmaşık yapılara uyum sağlayabilmesi gerekir. Bu çalışmada çözdüğümüz zorluk budur. Azobenzenin canlı hücrelerin etrafını bile sarabileceğini gösteren ilk kişiler bizdik,” diyor.

Karşılaştıkları en büyük zorluklardan biri, temiz bir odanın dışında gerçekleştirilebilecek ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirmekti. Ayrıca, cihazlar için ideal kalınlık üzerinde de yinelemeler yaptılar, çünkü onları çok kalın yapmak yuvarlandıklarında çatlamaya neden oluyor.

Azobenzen bir yalıtkan olduğundan, doğrudan bir uygulama, hasar görmüş aksonlar için sentetik miyelin olarak cihazları kullanmaktır. Miyelin, aksonları saran ve elektriksel uyarıların nöronlar arasında verimli bir şekilde hareket etmesini sağlayan bir yalıtım tabakasıdır.

Multipl skleroz gibi miyelinsiz hastalıklarda nöronlar yalıtım sağlayan miyelin tabakalarının bir kısmını kaybeder. Bunları yenilemenin biyolojik bir yolu yoktur. Sentetik miyelin görevi görerek giyilebilir cihazlar MS hastalarında nöronal işlevi geri kazandırmaya yardımcı olabilir.

Araştırmacılar ayrıca cihazların hücreleri uyarabilen optoelektrik malzemelerle nasıl birleştirilebileceğini de gösterdiler. Dahası, cihazların üstüne atomik olarak ince malzemeler desenlenebilir ve bu da kırılmadan mikrotüpler oluşturmak için yuvarlanabilir. Bu, cihazlara sensörler ve devreler entegre etme fırsatları yaratır.

Ayrıca, hücrelerle çok sıkı bir bağlantı kurdukları için, hücre altı bölgeleri uyarmak için çok az enerji kullanılabilir. Bu, bir araştırmacının veya klinisyenin beyin hastalıklarını tedavi etmek için nöronların elektriksel aktivitesini düzenlemesini sağlayabilir.

Sarkar, “Yapay bir cihazın bir hücreyle bu simbiyozunu benzeri görülmemiş bir çözünürlükte göstermek heyecan verici. Bu teknolojinin mümkün olduğunu gösterdik” diyor.

Araştırmacılar bu uygulamaları keşfetmenin yanı sıra, cihaz yüzeylerini belirli hücre tiplerini veya hücre altı bölgelerini hedeflemelerini sağlayacak moleküllerle işlevselleştirmeyi denemek istiyorlar.

Araştırma, İsviçre Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri Beyin Girişimi tarafından desteklendi.

Kaynak ve devamını incelemek için Buraya tıklayabilirsin.