Kis huzal, nagy felület: az elektrokémiai szonda szabadalma

Minden elektróda, amely élő szövettel érintkezik, kompromisszumra kényszerül. Ha vékonyabbra készítjük, kevésbé zavarja a szövetet. A vékonyabb huzalnak azonban kisebb a csúcsa, a kisebb csúcs pedig rosszabbul „hall”: nő az impedanciája, gyengülnek a jelek, és erősödik a zaj.

A Francis Crick Institute által benyújtott 10,768,139 számú amerikai szabadalom – feltalálói Romeo-Robert Rácz, Mihaly Kollo és Andreas Schaefer – módszert ír le e kompromisszum megkerülésére.^[1] A huzal maradjon nagyon vékony, a csúcsát viszont kémiai úton építsük újra, hogy egy apró csúcs úgy viselkedjen, mint egy jóval nagyobb.

A megoldandó probléma

A szabadalom kifejti, hogy a neurális szenzorok miniatürizálásával nő az impedanciájuk a sós testnedvekben, gyengülnek a jelek, és nő a zaj.^[1] Ez arra kényszeríti a tervezőket, hogy erősítőfokozatokat, szűrést és illesztőáramköröket építsenek be, amelyek energiát fogyasztanak – ez az elemről működő implantátumoknál kritikus kérdés. A jelerősség javítása úgy, hogy az elektródák mérete mikrométeres tartományban maradjon, a szabadalom szavaival „kiemelkedő fontosságú”.

Mit ír le a szabadalom?

Az első igénypont rögzíti a szonda felépítését.^[1] Ez egymás mellett elhelyezkedő huzalelektródák kötege. Mindegyiknek vezető magja és szigetelése van, átmérője legfeljebb 25 mikrométer, elülső vége pedig hegyesre keskenyedik. A polírozott csúcson fém vagy fém-oxid nanostruktúrákból álló réteg ül, amelyben az egyes nanostruktúrák szélessége legfeljebb 500 nanométer; ez a réteg csökkenti az impedanciát, és nem nyúlik túl a huzal saját átmérőjén. Ennek tetején funkcionalizáló réteg helyezkedik el. Az egyes huzalok oldalai mentén a szigetelés közvetlenül érintkezik a maggal.

További igénypontok kiterjednek a különálló szigetelőburkokra vagy a közös szigetelőmátrixra; a nemesfém és arany nanostruktúrákra; a bemélyedő csúcsra, amelynek mélyedésébe választják le a rétegeket; arra, hogy a huzalok különböző csoportjai eltérő funkcionalizáló réteget hordoznak; egy szálakkal ellátott tartószerkezetre, amellyel a köteg csúcsa irányítható; a szonda erősítőchippel való párosítására; valamint az előállítás módszereire.

A csúcs újraépítése

A szabadalom kétlépéses bevonatot ír le.^[1] Először aranyat növesztenek a polírozott csúcsra pikkelyes, erősen elágazó nanostruktúra-rétegként, amely nagy felületet biztosít a töltésátadáshoz. Ezután erre egy szivacsos, porózus irídium-oxid réteget választanak le. A szabadalom megjegyzi, hogy az irídium-oxid lehetővé teszi a pH-érzékelést, nagy töltéstároló kapacitása pedig segíti az áram leadását az ingerléshez, valamint olyan anyagok kimutatását, mint a dopamin.

A szabadalom három csúcsot hasonlít össze: a csupasz polírozott aranyat, a csak irídium-oxiddal bevontat, valamint a kétrétegű kombinációt, amelyet „JULIE” néven jelöl. A kétrétegű csúcs impedanciája körülbelül egy nagyságrenddel kisebb volt, mint a másik kettőé.

Elvezetés idegsejtekből

Az elektródák tesztelésére a feltalálók 4–6 hetes, altatott egerek szaglógumójában végeztek elvezetéseket.^[1] Megbízhatóan rögzítettek legfeljebb 1,6 millivoltos tüskéket, valamint a csúcstól körülbelül 20–30 mikrométerre lévő idegsejtekből származó, jól elkülönülő, 500–1500 mikrovoltos jeleket. Egységeket a szaglógumó teljes kiterjedésében lehetett elvezetni azután is, hogy a szondát több milliméterrel lejjebb süllyesztették, majd sekélyebb pozícióba hozták vissza. A szabadalom ezeket egy tipikus, kereskedelmi forgalomban kapható szondával végzett elvezetésekkel veti össze, amelyeken jóval kisebb tüskék láthatók.

A szabadalom további előnyöket is felsorol: a hagyományos szondákénál 2–5-ször kisebb behatoló huzalokat és akár 50-szer kisebb elvezetési pontokat, amelyek – állítása szerint – csökkentik a szövet elmozdulását és javítják az egyes idegsejtekből származó jelek szétválasztását; valamint azt, hogy a csúcsok tűhegyesre élezhetők.

Csatlakozás egy chiphez

A hátsó végen minden huzalra aranydudort növesztenek. A szabadalom leírja, hogy ezek közvetlenül, köztes csatlakozó nélkül nyomhatók egy erősítőchip – például egy mikroelektróda-sor chip vagy egy CMOS-alapú potenciosztát – érintkezőfelületeire.^[1] Megjegyzi, hogy nagyjából 1000-nél több huzalból álló kötegeknél a huzalok egyenkénti bekötése kivitelezhetetlenné válik, ezért a közvetlen rányomás a hasznosabb megközelítés.

Ugyanezt az elvet tesztelték később nagy léptékben a CHIME-munkában, ahol több száz huzalból álló kötegeket nyomtak CMOS-chipekre, hogy az egér agyából vezessenek el jeleket.^[3]

Egy szonda, sokféle szenzor

Mivel az aranyréteg sokféle bevonat alapjául szolgálhat, a szabadalom olyan szondákat ír le, amelyekben a huzalok különböző csoportjai eltérő funkcionalizáló réteget hordoznak: például az egyik csoport irídium-oxidot a pH vagy az elektromos jelek mérésére, egy másik DNS-próbákat, egy harmadik pedig egy enzimet az alkohol kimutatására.^[1] A lehetséges alkalmazások között felsorolja a neurális elvezetést és ingerlést, a neurotranszmitterek kimutatását, a pH-, glükóz-, DNS- és immunérzékelést, valamint a pásztázó elektrokémiai mikroszkópiát. Ezeket lehetséges felhasználásként írja le, nem igazolt eredményként.

A szabadalom egy gyakorlati gyártási segédeszközt is ismertet: egy szénkompozittal töltött csatlakozót, amely egyszerre érintkezik az összes huzalvéggel, így egy sok huzalból álló köteg egyetlen lépésben bevonható anélkül, hogy az aranydudorok megsérülnének.

Mi a szabadalom, és mi nem

• Amit bemutat. Egy konkrét elektródakonstrukciót és előállításának módját, a szabadalomban közölt impedanciamérésekkel és egéragyból származó elvezetésekkel.^[1]
• Amit nem mutat be. Hosszú távú beültetést, biztonságosságot vagy emberen történő alkalmazást. A felsorolt érzékelési alkalmazások többségét csak leírja, nem tesztelte.
• Ami meghatározza. Az oltalom terjedelmét a megadott igénypontok határozzák meg, amelyeket érdemes teljes terjedelmükben elolvasni a nyilvános lajstromban.

Miért fontos?

Az ötlet szétválaszt két dolgot, amelyek rendszerint egymás rovására mennek: a huzal méretét, amely azt határozza meg, mennyire kíméletesen érintkezik a szövettel, és a csúcs felületét, amely azt, hogy mennyire jól érzékel. Ez az elv végigvonul az ezt követő munkákon. Az elektródákat részletesen, elvezetési és ingerlési kísérletekkel együtt a jULIEs-cikk írta le.^[2] Olvassa el a cikkről szóló útmutatónkat. Egy későbbi szabadalom ugyanezeket az elektródákat egy nagy csatornaszámú látásimplantátumra alkalmazta.^[4]