Kultiviertes Nervengewebe wird häufig als vereinfachtes Versuchsmodell in der Hirnforschung eingesetzt. Bestehende Geräte zur Züchtung und Aufzeichnung von Nervengewebe, die mithilfe von Halbleiterprozessen hergestellt werden, weisen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Formänderung und der Implementierung dreidimensionaler (3D) Strukturen auf.
Durch unkonventionelles Denken gelang es einem KAIST-Forschungsteam, einen maßgeschneiderten 3D-Neuralchip zu entwickeln. Zunächst fertigten sie mit einem 3D-Drucker eine Hohlkanalstruktur an und füllten diese dann mithilfe der Kapillarwirkung automatisch mit leitfähiger Tinte, wodurch Elektroden und Verkabelung entstanden. Diese Errungenschaft dürfte die Gestaltungsfreiheit und Vielseitigkeit von Forschungsplattformen in der Hirnforschung und -technik deutlich erhöhen.
Am 25. gab KAIST bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yoonkey Nam vom Department of Bio and Brain Engineering erfolgreich eine Plattformtechnologie entwickelt hat, die die Einschränkungen der traditionellen halbleiterbasierten Fertigung überwindet. Diese Technologie ermöglicht die präzise Herstellung von „3D-Mikroelektrodenarrays“ (neuronale Schnittstellen mit mehreren in einem 3D-Raum angeordneten Mikroelektroden zur Messung und Stimulation des elektrophysiologischen Signals von Neuronen) in verschiedenen maßgeschneiderten Formen für In-vitro-Kulturchips.
Die bestehende Herstellung von 3D-Mikroelektrodenarrays auf Basis von Halbleiterprozessen bietet nur eingeschränkte 3D-Designfreiheit und ist teuer. Zwar wurden kürzlich 3D-Druck-basierte Fertigungstechniken zur Lösung dieser Probleme vorgeschlagen, doch weisen sie immer noch Einschränkungen hinsichtlich der 3D-Designfreiheit für verschiedene neuronale Netzwerkstrukturen in vitro auf, da sie der traditionellen Abfolge „Strukturierung des leitfähigen Materials → Isolatorbeschichtung → Elektrodenöffnung“ folgen.
Das KAIST-Forschungsteam nutzte die hervorragende 3D-Designfreiheit der 3D-Drucktechnologie und die Möglichkeit, gedruckte Materialien als Isolatoren zu verwenden. Durch die Umkehrung des traditionellen Prozesses entwickelten sie eine innovative Methode, die eine flexiblere Gestaltung und funktionelle Messung von 3D-Modellen neuronaler Netzwerke für die In-vitro-Kultur ermöglicht.
Zunächst druckten sie mit einem 3D-Drucker einen hohlen 3D-Isolator mit Mikrotunneln. Diese Struktur sollte als stabiles Gerüst für leitfähige Materialien im 3D-Raum dienen und gleichzeitig die Bildung verschiedener 3D-Neuronalnetzwerke unterstützen. Anschließend demonstrierten sie, dass sie durch Kapillarwirkung zum Füllen dieser internen Mikrotunnel mit leitfähiger Tinte ein 3D-Gerüst-Mikroelektroden-Array mit freier angeordneten Mikroelektroden innerhalb einer komplexen 3D-Kulturträgerstruktur erstellen konnten.
Die neue Plattform ermöglicht die Herstellung verschiedener Chipformen, beispielsweise Sonden-, Würfel- und Modul-Chips, und unterstützt die Herstellung von Elektroden aus unterschiedlichen Materialien wie Graphit, leitfähigen Polymeren und Silbernanopartikeln. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung mehrkanaliger neuronaler Signale innerhalb und außerhalb des dreidimensionalen neuronalen Netzwerks und ermöglicht so eine präzise Analyse der dynamischen Interaktionen und Konnektivität zwischen Neuronen.
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