Djup hjärnstimulering är i dag en etablerad behandlingsform. Här placeras elektroder in på utvalda platser i hjärnan för att stimulera de omgivande nervcellerna genom korta elektriska pulser. Behandlingen används bland annat för patienter med Parkinsons sjukdom, epilepsi, depression och kronisk smärta.

Men dagens elektroder är hårda vilket riskerar att skada hjärnvävnaden, särskilt när de utsätts för kroppens rörelser. Detta begränsar deras precision och om elektroden hamnar ur position så förloras också kontakten med rätt nervceller.

Sedan sin tid som postdoktor har Klas Tybrandt forskat kring mjuk och töjbar elektronik.

– Vi använder materialvetenskapliga metoder för att skapa mjuka och deformerbara elektriska material. Dessa kan användas i applikationer som integreras med kroppen, som implantat eller på huden, men även i textilier, säger Klas Tybrandt.

Målet är att skapa tunna, elastiska elektroder som kan följa med i olika vävnaders rörelser. De mjuka elektroderna kan då få en bättre kontakt med nervsystemet vilket öppnar för en mer detaljerad överföring av information.

Vi utvecklar unika mjuka och elastiska elektriska ledare för implantat – det är ett av våra verkliga styrkeområden.

Töjbart knippe elektroder

När det gäller området djup hjärnstimulering ser han framför sig en ny typ av elektrod som består av ett knippe mycket tunna och töjbara mikroelektroder. Väl på plats i hjärnan vecklas varje mikroelektrod ut likt armarna på en bläckfisk för att etablera precis kontakt med omgivande nervceller. Eftersom de består av ett mjukt och töjbart material stannar de på sin plats även när vävnaden rör sig.

– Rent konceptuellt så borde detta vara den ideala lösningen. Vi använder ett litet ingångshål och sprider sedan ut mikroelektroderna så att de får en stor kontaktyta och kan fånga upp detaljerad information från angränsande nervceller. För att vi ska lyckas krävs dock att vi vidareutvecklar de elektriska materialen och hittar ett sätt att styra spröten rätt.

Tusen gånger tunnare än hårstrå

Varje mikroelektrod, eller spröt, ska bli tunnare än ett hårstrå. För att ledaren ska vara mjuk och töjbar består den av ett nätverk av metallpartiklar där varje partikel kan röra sig i förhållande till varandra.

– Vår specialitet är att utveckla guldnanotrådar som är tusen gånger tunnare än ett hårstrå. Sedan skapar vi ett nätverk av nanotrådar inuti silikongummi. När gummit sedan deformeras så följer nätverket efter och de elektriska egenskaperna bibehålls, säger Klas Tybrandt. 

De första versionerna av den mjuka elektroden finns redan i labbet. Men både tillverkningen av nanotrådar och själva gummikompositen behöver förfinas ytterligare.

Dessutom måste Klas Tybrandts forskargrupp utveckla ett sätt att styra spröten till rätt plats inuti hjärnan. Lösningen de tror mest på är att göra spetsarna magnetiska. Då kan varje spröt dras på plats av ett yttre magnetfält. 

– Men vi behöver ett material som kan förlora sin magnetiska förmåga över tid. Du vill inte ha en massa små magnetiska spikar i hjärnan som kan påverkas av omgivande magnetfält. Därför utvecklar vi nya giftfria material där vi kan styra de magnetiska egenskaperna.

Blir en del av hjärnan

För att verkligen veta att varje spröt hamnar på rätt plats behövs också sätt att övervaka proceduren. Väl på plats så blir mikroelektroderna i princip en del av hjärnan. 

– När man för in något i storleksordningen 50–100 mikrometer i hjärnan så läker skadorna som uppstår mycket väl. Flera av dagens behandlingar inom djup hjärnstimulering är också livslånga så våra elektroder behöver ha en livslängd som är längre än patienternas, säger Klas Tybrandt. 

Själva konceptet ska först testas i hydrogeler och sedan i nervvävnader i labbet. Sista steget är att utveckla den färdiga elektroden för användning i levande vävnad. För att nå hela vägen krävs ett nära samarbete med forskare inom en rad andra områden, inte minst medicinska. 

– Våra huvudspår är att utveckla tillämpningar för att behandla nervskador som uppkommit på grund av olycka eller sjukdom. Samt att förbättra dagens behandlingar som involverar djup hjärnstimulering.

I ett längre perspektiv hägrar också möjligheten att koppla samman kroppens nervsystem med olika proteser som då kan styras av kroppens nervsignaler. Samt att koppla upp den mänskliga hjärnan till digitala nätverk eller framtida teknologier. En futuristisk tanke som trots att den ligger långt fram i tiden rymmer stora möjligheter, menar han. 

– För att vi ska lyckas så rör vi oss över hela spektrumet från teori och simulering via materialsyntes till att utveckla nya applikationer. Det är extremt brett men det är också det som är så roligt. I dag är det också i gränsytorna mellan olika forskningsområden som många av de verkligt stora framstegen sker, säger Klas Tybrandt.

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Thor Balkhed