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「頭殼壞去」真的沒救了?讓微型電子網格進入體內修復大腦

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李瑋倫

微型電子網格能夠如何助神經科學一臂之力?「不同於以往嵌入到體內的一般晶片,機械生物(Cyborg-type)型態的裝置, 將在不久的將來實現。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。根據目前植入到實驗鼠大腦中的結果顯示,微型電子網格未來可能可以替人操控義肢、義眼、甚至是協助修復大腦損傷、幫助受損組織的細胞再生。

先縮小,再還原

腦細胞

腦細胞會游近並附著在微型電子網格之上。(圖片來源:Lieber Research Group/Harvard University)

聽來驚悚,微型電子網格究竟要怎麼進到一顆腦子裡呢?其實只要打針就可以了。實驗團隊從矽奈米線(silicon nanowires)中製造出場效電晶體(field-effect transistors),發現當這些微型電晶體被放置在液體中的時候,會「蜷縮」起來變得更微小。

於是他們將場效電晶體放進食鹽水、並用針筒將食鹽水注射到實驗鼠的大腦中。在注射完成的一個小時後,場效電晶體就會延展、恢復為原本的形狀。「這個手法其實在生物和藥學的領域很常被用到。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。

其實 2012 年時,李柏的團隊就打造了可被神經、心臟以及肌肉組織依附生長的矽奈米線支架(silicon nanowire scaffolds),藉此測試這些細胞會如何對外來刺激做出反應。這次新研發出來的微型電子網格同樣是由矽所製成,但外觀更加扁平、形狀更近似於平行四邊形,這些特性都讓它更容易在浸泡至食鹽水時可以蜷縮至小於針頭的直徑。

覺得「遇水則縮」聽起來沒什麼了不起的嗎?那麼來看看這些微型電子網格原本有多大吧-大約為 3 到 4 公分寬,是針頭直徑的 33 倍大

微型電子網格如何和體內組織好好相處?

想當然耳,「能伸能屈」對於微型電子網格是種非常重要的能力,微型電子網格必須具有彈性,才能和腦部組織互相接合。唯有電子網格能夠保持足夠的柔軟,才能確保它不會傷及體內組織、減少副作用、避免免疫反應發生。
奈米電子學的目標是要能夠擔任細胞外基質的角色去「抱住」細胞們。在李柏的團隊和實驗鼠的努力之下,發現微型電子網格可以和腦細胞良好的結合,甚至可以幫助修補中風或脊髓受損造成的損傷。「這幾乎是達成一種『人工突觸』的程度了。」李柏表示。

看看過往瓶頸,想想未來展望

微型電子網格可扮演感測器的角色,測量藥物如何幫助心臟更加順利跳動。在這種情況下,這類型裝置的最大挑戰都在於促成電子和細胞之間的通訊。以目前的醫療科技發展,醫生其實已可運用電極裝置,去測量大腦或肌肉發出的訊號來嘗試控制義肢,但使用電極裝置的副作用也不少。以為了深度刺激帕金森氏症患者腦部的微型電極裝置為例,疤痕會引起絕緣問題,一旦如此醫生就必須不斷調整電極的位置並重新發出電波訊號,而導致患者的不適。

目前實驗團隊仍在測試微型電子網格能否維持到 3~6 個月的穩定度。而這項技術若要真正被實踐在人體上,恐怕還需要數年的時間。李柏對於未來的技術發展充滿期待,例如幹細胞是否能隨同網格一同注射、或是直接改變網格表面的化學物質讓他們和特定細胞互相結合、或是建造更複雜、但也更高能力的網格。

糖尿病

或許某一天,糖尿病患者將不再經由血液來判斷他們的胰島素狀況。source:pixabay

「如果微型電子網格的能力越高,我們就能對它的應用有越多想像,例如在不用針頭插入的狀況下,就可以藉由植入奈米裝置來監測糖尿病患的胰島素狀況,或是,使用感測器來持續追蹤心臟病風險群病人的血小板生成。」李柏說。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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