Veijo Hänninen

Biomateriaaleja ja elektroniikkaa

Ihmisen biologia on tieteilijöiden innoittajina kun pyritään matkimaan ja kehittämään koneen ja ihmisen välisiä rajapintoja. Kuinka kytkeydytään entsyymeihin tai kuinka saadaan aikaan aivojen kaltaista neurorakennetta tekniselle materiaalille.

Ihmisen aistit perustuvat mukautuvaan sensorististen neuronien verkostoon, joka kommunikoi herätteillä vasteena ympäristön ärsykkeisiin. Vastaavat keinotekoiset biologiset prosessit, kuten havaintojärjestelmät, ovat edelleen orgaanisen elektroniikan asiantuntijoille vaikea tavoite.

Äskettäinen yhteistyö Northwestern Universityn ja Georgia Techin välillä on avannut alalle uusia mahdollisuuksia luomalla uuden korkean suorituskyvyn orgaanisen sähkökemiallisen neuronin, joka reagoi ihmisen neuronien taajuusalueella. He rakensivat myös havaintojärjestelmän suunnittelemalla muita orgaanisia materiaaleja ja integroimalla suunnitellut neurosolut keinotekoisiin kosketusreseptoreihin ja synapseihin, mikä mahdollisti reaaliaikaisen tuntosignaalin havaitsemisen ja käsittelyn.

Tutkimus voisi olla omiaan älykkäissä roboteissa ja muissa järjestelmissä, joissa käytetään tällä hetkellä tunnistusjärjestelmiä, jotka eivät yltää ihmisen järjestelmien tasolle.

Matkia todellisia biologisia prosesseja

"Tutkimus korostaa merkittävää edistystä orgaanisessa elektroniikassa ja niiden soveltamisessa biologian ja teknologian välisen kuilun kuromiseen", sanoi ensimmäinen kirjoittaja Northwesternin Yao Yao. "Loimme tehokkaan keinotekoisen neurosolun, jolla on pienempi jalanjälki ja erinomaiset neuronaaliset ominaisuudet. Tätä kykyä hyödyntäen kehitimme täysitoimisen kosketusaistillisen neuromorfisen havaintojärjestelmän matkimaan todellisia biologisia prosesseja."

Vastaavan kirjoittajan Tobin J. Marksin mukaan olemassa olevilla keinotekoisilla neuropiireillä on taipumus piikittää kapealla taajuusalueella.

"Tämän tutkimuksen synteettinen neuroni saavuttaa ennätysmäisen suorituskyvyn piikitystaajuuden modulaatiossa ja tarjoaa 50 kertaa laajemman alueen kuin olemassa olevat orgaaniset sähkökemialliset neuropiirit", Marks sanoi. "Sitä vastoin laitteemme erinomaiset neurosolujen ominaisuudet tekevät siitä edistyneen saavutuksen orgaanisissa sähkökemiallisissa neurosoluissa."

"Tämä tutkimus esittelee ensimmäisen kattavan neuromorfisen tuntoaistin, joka perustuu keinotekoisiin neurosoluihin ja joka yhdistää keinotekoiset tuntoreseptorit ja keinotekoiset synapsit", Georgia Techin Antonio Facchetti kertoo. "Se osoittaa kyvyn koodata kosketusärsykkeitä neurosolujen signaaleiksi reaaliajassa ja muuntaa ne edelleen postsynaptisiksi vasteiksi."

Ihmisaivojen valtavan 86 miljardin neuronin verkoston ollessa valmiina herätteisiin, sitä vastaavia tunnistusjärjestelmiä on vaikea luoda. Tutkijoita rajoittaa sekä rakenteiden koko että määrä, jonka he voivat luoda.

Tulevissa ratkaisuissa tiimi toivoo voivansa pienentää piirirakenteen kokoa entisestään, mikä vie projektia askeleen lähemmäksi ihmisen tunnistusjärjestelmien jäljittelemistä.

Tutkijoiden mukaan tällainen biovaikutteinen suunnittelu osoittaa merkittävää potentiaalia edistää kyborgisia ja neuromorfisia järjestelmiä ja antaa niille havaintokykyjä.

Kuin tehdä liitäntä entsyymeihin

Entsyymeillä on ratkaiseva rooli ihmiskehossa ja luonnossa tapahtuvissa kemiallisissa reaktioissa. Vastaavanlaisen tehokkaan ja toimivan elektronisiirron mahdollistaminen entsyymien ja elektrodien välillä on kuitenkin edelleen merkittävä haaste käytettäessä entsyymejä elektronisissa laitteissa, kuten antureissa, erityisesti tavanomaisten teknologioiden yhteydessä.

Äskettäin Tsukuban yliopiston vetämä tutkimusryhmä ratkaisi tämän ongelman käyttämällä metalliorgaanisia kehyksiä (MOF). Ne ovat metallien ja orgaanisten linkkereiden yhdistelmä, jotka muodostavat huokoisen kiderakenteen ja joita käytetään yleisesti kaasun adsorptiossa/erotuksessa ja muilla aloilla.

Yleensä MOF:t ovat luonnostaan redox-inaktiivisia ja niillä on huono sähkönjohtavuus. Tutkijat muokkasivat materiaalia, niin että se toimii "lankana", mikä mahdollistaa tehokkaan elektroninvaihdon entsyymin ja elektrodin välillä.

Toinen tärkeä näkökohta oli sopivan nanomittakaavaisen rakenteen suunnittelu ja tehokkaan immobilisointistrategian toteuttaminen entsyymin pitämiseksi elektrodin pinnalla. Tämä lähestymistapa auttaa estämään entsyymien poishuuhtoutumista, mikä voi johtaa epätarkkoihin mittauksiin.

Tämä innovatiivinen strategia mahdollistaa entsyymipohjaisen biosensorin erittäin tehokkaat ja vakaat pitkän aikavälin mittaukset. Tällä saavutuksella on potentiaalisia tulevaisuuden sovelluksia useilla aloilla, kuten sairauksien diagnosoinnissa, ympäristön seurannassa ja kestävässä energiateknologiassa. Tutkimusryhmä uskoo, että heidän tutkimuksensa ei ainoastaan edistä tieteellistä kehitystä, vaan myös parantaa ihmisten elämää.

3D-tulostettua aivojen kaltaista ympäristöä

Teknistä neuromorfiaa voi lähestyä myös teknisesti tulostamalla aivojen kaltaista ympäristöä, jossa neurosolujen kasvu matkii vastaavaa kasvutapahtumaa aivoissa.

Delftin teknillisen yliopiston (TU Delft) tutkijat ovat kehittäneet tähän tarkoitukseen 3D-tulostetun "aivomaisen ympäristön", jossa pienet nanopilarit jäljittelevät pehmeää neurokudosta ja aivojen solunulkoisten matriisien kuituja.

Tämä malli tarjoaa uusia näkemyksiä siitä, miten neurosolut muodostavat verkkoja, sekä uuden työkalun, jonka avulla voidaan ymmärtää tulevaisuudessa kuinka tämä prosessi tapahtuu neurologisissa sairauksissa, kuten Alzheimerin taudissa, Parkinsonin taudissa tai autismikirjon häiriöissä.

Neuronit, kuten monet kehon solut, reagoivat ympäristönsä jäykkyyteen ja geometriaan. Kemian tekniikan perinteiset petrimaljat ovat litteitä ja jäykkiä, toisin kuin aivojen pehmeä, kuitumainen solunulkoinen matriisiympäristö.

Tämän ympäristön geometristen ja mekaanisten ominaisuuksien jäljittelemiseksi apulaisprofessori Angelo Accardon tiimi suunnitteli nanopilariryhmiä käyttämällä kaksifotonipolymerointia ja laseravusteista 3D-tulostustekniikkaa nanomittakaavan tarkkuudella.

Nanopilarit ovat järjestetty pinnalle kuin metsäksi. Muuttamalla pilarien leveyttä ja korkeutta ja niiden suhdetta tutkijat virittivät pilarien tehollista leikkausmoduulia, mekaanista ominaisuutta, jonka solut havaitsivat ryömiessään mikro- tai nanorakenteisissa metsissä. "Tämä huijaa neuronit "ajattelemaan", että ne ovat pehmeässä, aivojen kaltaisessa ympäristössä, vaikka nanopilarien materiaali itsessään on jäykkää.

Taipuneenakin neuronien ryöminnän alla nanopilarit eivät vain simuloi

aivokudoksen pehmeyttä, vaan tarjoavat myös 3D-nanometrisen rakenteen, johon neuronit voivat tarttua, aivan kuten solunulkoiset matriisin nanokuidut todellisessa aivokudoksessa", Accardo sanoo. Tämä vaikuttaa siihen, kuinka neurosolut kasvavat ja muodostavat yhteyden toisiinsa.

Satunnaisesta kasvusta järjestyneisiin verkkoihin

Mallin testaamiseksi tutkijat kasvattivat nanopilareihin kolmea erityyppistä hermosolua, jotka olivat peräisin joko hiiren aivokudoksesta tai ihmisen kantasoluista.

Perinteisissä litteissä petrimaljoissa ja 2D-biomateriaaleissa neuronit kasvoivat satunnaisiin suuntiin. Mutta 3D-printatussa nanopilariryhmissä kaikki kolme solutyyppiä kasvoivat järjestäytyneemmillä kuvioilla muodostaen verkkoja tietyissä kulmissa.

Tutkimus paljasti myös uusia näkemyksiä neurosolujen kasvukartioista. Accardo: "Nämä käden kaltaiset rakenteet ohjaavat kasvavien neurosolujen vinkkejä, kun ne etsivät uusia yhteyksiä. Tasaisilla pinnoilla kasvukartiot leviävät ja pysyvät suhteellisen tasaisina. Mutta nanopilariryhmissä kasvukartiot lähettivät pitkiä, sormimaisiaprojektioita, jotka tutkivat ympäristöään kaikkiin suuntiin – ei vain yhdessä tasossa, vaan myös 3D-tilassa, muistuttaen sitä, mitä tapahtuu todellisessa aivoympäristössä.

"Lisäksi havaitsimme, että nanopilarien luoma ympäristö näytti myös rohkaisevan neurosoluja kypsymään", korostaa tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja George Flamourakis. Pilareilla kasvatetut neurosolujen esisolut osoittivat korkeampia kypsien neurosolujen markkerien tasoja verrattuna tasaisilla pinnoilla kasvatettuihin soluihin. "Tämä osoittaa, että järjestelmä ei vaikuta vain kasvun suuntaan, vaan myös edistää neurosolujen kypsymistä."