" Bionic " Ohr hat Potential zur Wiederherstellung oder Verbesserung des menschlichen Gehör

Wissenschaftler an der Universität Princeton verwendet off- the-shelf- Druck-Tools , um eine funktionelle Ohr, " hören " kann Funkfrequenzen weit über den Bereich der normalen menschlichen Fähigkeit zu erstellen.

Die Forscher " primäre Ziel war es, ein effizientes und vielseitiges Mittel zu erforschen, um Elektronik mit Gewebe zu verschmelzen. Die Wissenschaftler verwendeten 3D-Druck von Zellen und Nanopartikeln , gefolgt von Zellkultur , um einen kleinen Spulenantenne mit Knorpel zu kombinieren , zu schaffen, was sie bezeichnen eine bionische Ohr.

" In der Regel gibt es mechanische und thermische Herausforderungen mit Anbindung elektronische Materialien mit biologischen Materialien ", sagte Michael McAlpine , ein Assistent Professor für mechanische und Raumfahrttechnik an der Princeton und der leitende Forscher . . "Bisher haben die Forscher einige Strategien , um die Elektronik so anzupassen, dass diese Fusion ist weniger umständlich vorgeschlagen Das passiert in der Regel zwischen einem 2D-Plan der Elektronik und einer Oberfläche des Gewebes jedoch legt nahe, unsere Arbeit einen neuen Ansatz - . Zu bauen und zu wachsen die Biologie mit der Elektronik synergistisch und in einem 3D- Format verwoben . "

McAlpine Team hat einige Fortschritte in den letzten Jahren , die die Verwendung von kleinen medizinischen Sensoren und Antennen gemacht . Im vergangenen Jahr ein Forschungsanstrengungen von McAlpine und Naveen Verma , Assistant Professor der Elektrotechnik und Fio Omenetto der Tufts University führte , führte zur Entwicklung eines " tattoo" aus einem biologischen Sensor und Antenne gemacht , die auf die angebracht werden können Oberfläche eines Zahns .

Dieses Projekt ist jedoch erste Anstrengung des Teams, ein voll funktionsfähiges Organ zu schaffen : eine, die nicht nur repliziert eine menschliche Fähigkeit , sondern erweitert sie mit integrierter Elektronik

" Die Konzeption und Umsetzung von bionic Organe und Geräte, die menschlichen Fähigkeiten , wie Kybernetik bekannt zu verbessern , wurde eine Fläche von immer mehr wissenschaftliche Interesse", schrieb der Forscher in dem Artikel , die in der Fachzeitschrift Nano Letters erscheint. "Dieses Feld hat das Potenzial, kundenspezifische Ersatzteile für den menschlichen Körper zu erzeugen , oder sogar Organe enthält Funktionen hinaus, was die menschliche Biologie normalerweise bietet . "

Standardgewebetechnikbeinhaltet seeding Arten von Zellen, wie etwa jene, die Ohrknorpel zu bilden , auf einem Gerüst aus einem Polymermaterial genannt ein Hydrogel ist. Allerdings , so die Forscher , dass diese Technik hat Probleme replizieren komplizierten dreidimensionalen biologischen Strukturen . Ohrrekonstruktion " bleibt eines der schwierigsten Probleme im Bereich der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie ", schrieben sie .

Um das Problem zu lösen , wandte sich das Team auf ein Herstellungs Ansatz namens 3D-Druck . Diese Drucker verwenden computergestützte Design von Objekten als Arrays von dünnen Scheiben zu konzipieren. Der Drucker legt dann Schichten aus einer Vielzahl von Materialien - von Kunststoff , um Zellen - zum Aufbau eines fertigen Produkts. Befürworter sagen, additive Fertigung verspricht heimischen Industrien , indem sie kleine Teams oder Einzelpersonen , die Arbeit , die bisher nur von Betrieben durchgeführt werden könnte revolutionieren.

Erstellen von Organen mit Hilfe von 3D -Drucker ist ein kürzliches, voraus; haben mehrere Gruppen mit der Technologie für diesen Zweck in den letzten paar Monaten berichtet . Aber dies ist das erste Mal , dass Forscher haben gezeigt, dass 3D-Druck ist eine bequeme Strategie , um Gewebe mit Elektronik zu verweben .

Die Technik erlaubt den Forschern , die Antennenelektronik mit Gewebe innerhalb des sehr komplexen Topologie eines menschlichen Ohres zu kombinieren. Die Forscher verwendeten eine gewöhnliche 3D-Drucker , um eine Matrix aus Hydrogel und Waden Zellen mit Silber-Nanopartikeln , die eine Antenne bilden, zu verbinden. Die Waden Zellen später entwickeln sich zu Knorpel.

Manu Mannoor , ein Doktorand in McAlpine Labor und führen Autor des Papiers , sagte, dass additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten, um die Integration von Elektronik mit biologischem Gewebe zu denken und ermöglicht die Erstellung von echten bionic Organe in Form und Funktion. Er sagte, daß es möglich sein kann, Sensoren in einer Vielzahl biologischer Gewebe zu integrieren , beispielsweise zur Überwachung Stress am Knie Meniskus eines Patienten.

David Gracias , außerordentlicher Professor an der Johns Hopkins und Co-Autor der Veröffentlichung , sagte, dass die Überbrückung der Kluft zwischen Biologie und Elektronik stellt eine große Herausforderung dar , die überwunden , um die Erstellung von intelligenten Prothesen und Implantate ermöglichen werden muss.

"Biologische Strukturen sind weich und matschig , überwiegend aus Wasser und organischen Molekülen zusammengesetzt , während herkömmliche elektronische Geräte sind hart und trocken , vor allem von Metallen, Halbleitern und anorganischen Dielektrika zusammengesetzt ", sagte er . " Die Unterschiede in den physikalischen und chemischen Eigenschaften zwischen diesen beiden Materialklassen konnte nicht mehr ausgeprägt sein."

Das fertige Ohr besteht aus einem Spulenantenne in einer Knorpelstruktur . Zwei Leitungen führen von der Basis des Ohres und Wind um einen spiralförmigen " Cochlea " - der Teil des Ohres , die Klang Sinne - , die an die Elektroden anschließen. Obwohl McAlpine warnt, dass weitere Arbeiten und umfangreiche Tests müsste getan werden, bevor die Technologie könnte an einem Patienten verwendet werden kann , sagte er das Ohr im Prinzip könnte zur Wiederherstellung oder das menschliche Gehör zu verbessern. Er die elektrischen Signale durch das Ohr erzeugt könnte Nervenenden eines Patienten , ähnlich einem Hörgerät verbunden werden. Das derzeitige System empfängt Funkwellen , aber er sagte das Forschungsteam plant, andere Materialien , wie beispielsweise druckempfindliche elektronische Sensoren zu integrieren , um das Ohr zu ermöglichen, akustische Klänge registrieren .

Neben McAlpine , Verma , Mannoor und Gracias das Forschungsteam umfasst : Winston Soboyejo , Professor für mechanische und Raumfahrttechnik an der Princeton ; Karen Malatesta, ein Fakultätskollegenin Molekularbiologie an der Princeton ; Yong Lin Kong, ein Doktorand in mechanische und Raumfahrttechnik an der Princeton ; Teena und James , ein Doktorand in der chemischen und molekularbiologische Technik an der Johns Hopkins .

Weitere Teammitglieder waren Ziwen Jiang, ein High-School -Student an der Peddie School in Hightstown , die im Rahmen einer Outreach-Programm für junge Forscher in McAlpine Labor teilgenommen.

" Ziwen Jiang ist eine der spektakulärsten Gymnasiasten ich je gesehen habe ", sagte McAlpine . "Wir würden nicht in der Lage , dieses Projekt ohne ihn zu meistern CAD-Konstruktionen der bionischen Ohren füllen , vor allem in seiner Fähigkeit zu haben."