 |
Understanding the impact of nanostructuring to control neural cell - solid surface interactions at brain-machine interfaces
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116550 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Pongrácz, Anita |
| Title in Hungarian |
Nanostruktúrálás hatásának vizsgálata az idegsejt - szilárdtest kölcsönhatásra agy-gép interfészek fejlesztéséhez |
| Title in English |
Understanding the impact of nanostructuring to control neural cell - solid surface interactions at brain-machine interfaces |
| Keywords in Hungarian |
nanostruktúrálás, mély reaktív ionmarás, két-foton litográfia, sejt-elektród kölcsönhatása, agyi mikroelektród |
| Keywords in English |
nanostructuring, deep reactive ion etching, two-photon lithography, cell-microelectrod interaction |
| Discipline |
| Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences) | 65 % | | Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology) | | Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 15 % |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research) |
| Participants |
Fekete, Zoltán
Fürjes, Péter
Horváth, Ágoston Csaba
Liliom, Hanna Laura
Lukács, István Endre
Madarász, Emília
Márton, Gergely
Szabó, Zoltán
Sztyéhlikné Bérces, Zsófia
Tóth, Kinga
Ulbert, István
Zátonyi, Anita
|
| Starting date |
2015-12-01 |
| Closing date |
2019-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
27.957 |
| FTE (full time equivalent) |
8.96 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatásunk célja, hogy a MEMS rendszerek készítéséhez használt szilícium technológia újszerű mikro- és nanogépészeti műveleteinek felhasználásával olyan mikro- és nanostruktúrálási módszereket integráljunk agyszövetbe ültethető elektrofiziológiai mérőrendszerek (pl. mikroelektródok) előállításához, mely a vizsgált idegszövet hátrányos védekező reakcióit (gliózis) a lehető legnagyobb mértékben képes csökkenteni.
A kutatás során több újszerű nanostruktúrálási módszerrel (polikristályos szilícium alapréteg mély reaktív ionmarásával, elektronsugaras litográfiával, két-foton polimerizáción alapuló direkt lézer írással), és a kialakított rendszerek bevonatolásával (fizikai és kémiai rétegleválasztások) kívánunk olyan felületeket létrehozni, melyek biokompatibilitását neuron és glia sejtpopulációk felhasználásával, továbbá in vivo állatkísérletek elvégzésével ellenőrizhetjük és optimalizálhatjuk.
A kutatás az Albert Ludwigs Universität Freiburg, Institute für Mikrosystemtechnik, Materialien der Mikrosystemtechnik kutatócsoportjával együttműködésben folyna, aki a Brain Links-Brain Tools Kiválósági Klaszter oszlopos tagja, mely klaszter az európai neurotechnológiai fejlesztések centruma. Közös munkánk keretében PhD hallgatóinknak lehetőségük nyílik külföldi tapasztalatszerzésre és új nemzetközi kapcsolatok kiépítésére.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A gliózis szerepét és agyszövetbe beültetett eszközök felületének nanostruktúráltságára való érzékenységét számos irodalmi tanulmány prezentálta. Ugyanakkor nincs kvantitatív képünk arról, hogy ezen interakcióra a kontaktfelületek morfológiája, az érzékelő előállításához felhasznált struktúrális anyagok jellemzői hogyan hatnak. Fontos kérdés, hogy van-e olyan mikrogépészeti műveletsor a szilícium technológia eszköztárát tekintve, mely alkalmas széles határok között az érzékelő kontaktusfelületek fizikai tulajdonságait változtatni, és ezáltal adott sejtpopulációk kitapadását, életben maradását, immunválaszát optimálisan befolyásolni.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az agyszövetbe ültethető mikroelektród felhasználása a humán terápiás területeken (pl. Parkinson-kór kezelése) az utóbbi években jelentős áttörést hozott. Mindemellett a neurológiai betegségek ilyen módon történő kezeléséhez elengedhetetlen számos krónikus, szabadon mozgó állatmodell vizsgálata során validálni az adott terápiás módszert. A hosszú távú, megbízható vizsgálat sikere a beültetett eszközök által kiváltott szöveti védekező reakciók miatt gyakran limitált. Az elektrofiziológiai kísérleti helyzethez optimalizált, a vizsgált idegsejtpopuláció számára nagy mértékben biokompatibilis mikroelektród felületek alkalmazása új teret nyithat a krónikus agyi vizsgálatok során kinyerhető információ minősége és mennyisége szempontjából is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban egyre elterjedtebb az olyan eszközök – agyi elektromos jeleket mérő, befolyásoló elektródok – fejlesztése, hatásának kutatása és egyes betegségek esetén klinikai használata is, melyek idegrendszeri rendellenességek (pl. Parkinson kór, Tourette szindróma, esszenciális tremor) terápiájában hatékonyan használhatóak lehetnek tünetmentesítésre, vagy a hagyományos gyógyszeres terápia kiegészítéseként. Ez nagy jelentőséggel bírhat a betegek életminőségének javításában. Az ilyen eszközök szélesebb körű használata hosszú, és körültekintő előzetes kutatást, állatkísérleteket igényel, annak biztosítása érdekében, hogy az elektródok a célnak valóban megfelelnek, és nem okoznak a feltétlenül szükségesnél nagyobb kárt a szervezetben. Ezen kísérletek esetében nagyon fontos a hosszú távú (több hónapos, éves) hatás vizsgálata, követése, mely a jelenlegi eszközökkel nem, vagy csupán szűk korlátok közt valósítható meg. Az élő szervezet ugyanis a számára idegen testtel szemben olyan választ produkál, mely következtében a mérőrendszer akár hetek alatt elveszti jelregisztráló képességét. Olyan eszköz fejlesztése, mellyel megoldható az élő szervezetben történő hosszabb távú interakció, számos helyen felhasználható eredmény volna.
Kutatásunk célja a rendelkezésre álló mikro- és nanogépészeti eljárásokkal olyan, nanométer tartományba eső mintázattal rendelkező eszközfelület kialakítása, mellyel megakadályozható, vagy késleltethető az élő szervezet idegen testtel szembeni, az eszköz működésére káros reakciója, ezáltal lehetővé téve, hogy ezen eszközök hosszú távú kutatásokban, állatkísérletekben - és a jövőben klinikai gyakorlatban is - hatékonyabban használhatóak legyenek.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of our research is to facilitate the state-of-the-art silicon MEMS micromachining techniques for developing micro- and nanostructuring methods which can be integrated into the manufacturing of biocompatible and implantable neural recording and stimulating systems (e.g. microelectrodes). The modification of the surface morphology of microdevices at the tissue-device interface might decrease the extent of disadvantageous tissue defense reaction (gliosis) of the investigated brain tissue.
In the proposed research we plan to fabricate micro- and nanostructured surfaces by novel nanostructuring methods (deep reactive ion etching of polySi seed layer, e-beam lithography, direct laser writing by two-photon polimerization) and subsequent coatings (by means of physical and chemical depositions). To optimize biocompatibility of such surfaces through altering morphology, we investigate the reactions of glia cells and neurons in vitro, and carry out in vivo electrophysiology experiments on animal models.
This is a joint project between MEMS Lab of MFA and the Microsystem Materials Laboratory Department of Microsystems Engineering (IMTEK),
Albert Ludwigs University of Freiburg. IMTEK is a member of the Excellence Cluster Brain Links-Brain Tools and participated in the EU Funded NeuroProbes and NeuroSeeker Projects. Our student participants can aquire invaluable skills in areas like 3D nanostructuring and system integration, while learning a wholly new reasearch culture in the Europian center of neurotechnology.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The sensitivity of gliosis to nanoroughness of microdevices implanted in the brain tissue has been demonstrated by several papers in literature. On the other hand, there is still no quantitative analysis on how the morphology and material composition of contact surfaces influences this cell-device interaction. A key issue is to prove whether micro- and nanomachining techniques of silicon MEMS technology can be utilized to fabricate biosensor surfaces, which can promote selectively the adhesion and viability of favorable cell populations, while reducing the non-favorable defense reactions of the neural tissue.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The application of implantable brain microelectrodes opened new doors in the field of therapy of human neural disorders (e.g. treatment of Parkinson disease) in the recent past. Nevertheless, such successes are essentially based on numerous validation experiments on chronic, freely moving animal model. Long term, reliable functions of neural microdevices is mostly limited by defense reaction of brain tissue along the electrode track. The integration of nanostructured recording sites biocompatible for specific populations of neural cells into microelectrode arrays will definitely increase the yield and quality of information registered during chronic brain research and help to construct stimulatory devices (neural “pace-makers”) for future therapeutic use.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Developing electrical sensing and stimulating implantable neural electrodes as well as exploring their clinical effects and usage in different neural dysfunctions (e.g. Parkinson disease, Tourette syndrome, essential tremor) is a fast growing scientific area. According to literature data and clinical experiences, such devices can reduce symptoms, and applying together with conventional pharmacological treatments, can significantly improve patient’s quality of life. Using microelectrodes in wider field needs long term investigation in animal models for characterising their positive and negative effects to the living neural tissue. Chronic experiments with currently available devices face the difficulty because of the tissue response to foreign artificial material and local injury. Due to defense reactions of the tissue, the electrode loses soon its ability to record or give signals in the brain. Developing a device capable for long term recording or signalling in the living tissue would be useful in a wide range of medical fields.
By using micro- and nanomachining techniques, our aim is to develop an implant surface with nanometer-range pattern which could prevent or delay the negative tissue responses to the implanted electrode and thus provides improved neural implants' with long term efficiency for animal model experiments.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Zs. Bérces1,3, T. Kőhidi2, J. Pomothy2, Á. Horváth3, É. Benyei2, Z. Fekete1,3 , E. Madarász2, A. Pongrácz3,4: Adhesion of neural progenitor and microglial cells on nanostructured surfaces, FENS, 2017 | | H. Liliom1, P. Lajer1, Zs. Bérces2,3, B. Csernyus2, Á. Szabó4, D. Pinke5, P. Lőw6, Z. Fekete4, and A. Pongrácz3,4*, K. Schlett1: Differential effects of nanostructuring on primary neurons and astrocytes, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jbm.a.36743, 2019 | | Z. Fekete, A. Pongracz: Multifunctional soft implants to monitor and control neural activity in the central and peripheral nervous system: A review, Sensors and Actuators B, 2017 | | Florian Larramendy,Shotaro Yoshida,Daniela Maier,Zoltan Fekete,Shoji Takeuchi and Oliver Paula: 3D arrays of microcages by two-photon lithography for spatial organization of living cells, Lab on a chip, 2019 | | A. Zátonyi1,2,3, G. Orbán4,5, R. Modi6, G. Márton5, D. Meszéna5, I. Ulbert1,5, A. Pongrácz1, M. Ecker6, W. E. Voit6, A. Joshi-Imre6*, Z. Fekete1: A softening laminar electrode for recording single unit activity from the rat hippocampus, Scientific Report, 2019 | | D. Meszéna, B. P Kerekes, I. Pál, G. Orbán, T. Holzhammer, P. Ruther, I. Ulbert and G. Márton.: A novel, silicon-based spiky probe providing improved cell accessibility for in vitro brain slice recordings, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400519308494?via%3Dihub, 2019 | | Zsófia Bérces, Kinga Tóth, Gergely Márton, Ildikó Pál, Bálint Kováts-Megyesi, Zoltán Fekete, István Ulbert & Anita Pongrácz: Neurobiochemical changes in the vicinity of a nanostructured neural implant, http://www.nature.com/articles/srep35944, 2016 | | Z. Fekete, A. Pongracz: Multifunctional soft implants to monitor and control neural activity in the central and peripheral nervous system: A review, Sensors and Actuators B, 2017 | | Zs. Bérces, J. Pomothy, Á. Cs. Horváth, T. Kőhidi, É. Benyei, Z. Fekete, E. Madarász, A. Pongrácz: Effect of nanostructures on anchoring stem cell-derived neural tissue to artificial surfaces, Journal of Neural Engineering 15 (2018) 056030, 2018 | | Sztyéhlikné Bérces Zsófia: Nanostrukturált felületek és idegszöveti sejtek kölcsönhatásának vizsgálata, PPKE ITK, 2018 | | Florian Larramendy,Shotaro Yoshida,Daniela Maier,Zoltan Fekete,Shoji Takeuchi and Oliver Paula: 3D arrays of microcages by two-photon lithography for spatial organization of living cells, Lab on a chip, 2019 | | Anita Pongrácz1,2, *, Szabolcs Barna1, István Lukács1, Levente Illés1, Hanna Liliom3, Panna Lajer3, Bence Csernyus1, Ágnes Szabó1,2, Zsófia Bérces1,2, Zoltán Fekete1,2, Péter Lőw4, Katalin Schlett3: Modification of glial attachment by surface nanostructuring of SU-8 thin films, MDPI Proceedings, 2018 | | 1Hanna L. Liliom, 2,3,4Zsófia Bérces, 3Bence Csernyus, 4Domonkos Pinke, 2,3,4Ágnes Szabó, 5Péter Lőw, 3Ágoston Cs. Horváth, 1Panna Lajer, 3Zoltán Fekete, 2,3Anita Pongrácz, 1,6Katalin Schlett: The effect of nanostructured surfaces on the attachment and growth of neural cells, FENS Proceedings, 2017 | | 1Hanna Liliom, 1Panna Lajer, 2,3Zsófia Bérces, 2Bence Csernyus, 4Ágnes Szabó, 5Domonkos Pinke, 6Péter Lőw, 4Zoltán Fekete, 3,4Anita Pongrácz, 1Katalin Schlett: Differential effects of nanostructuring on primary neurons and astrocytes, MITT Poster, 2019 | | A. Zátonyi1,2,3, G. Orbán4,5, R. Modi6, G. Márton5, D. Meszéna5, I. Ulbert1,5, A. Pongrácz1, M. Ecker6, W. E. Voit6, A. Joshi-Imre6*, Z. Fekete1: A softening laminar electrode for recording single unit activity from the rat hippocampus, Scientific Report, 2019 | | D. Meszéna, B. P Kerekes, I. Pál, G. Orbán, T. Holzhammer, P. Ruther, I. Ulbert and G. Márton.: A novel, silicon-based spiky probe providing improved cell accessibility for in vitro brain slice recordings, submitted, 2019 | | K. Tóth, E. Z. Tóth, L. Wittner, R. Fiáth, D. Meszéna, I. Pál, E. L. Győri, D. Pinke, Z. Bereczki, G. Orbán, A. Pongrácz, I. Ulbert and G. Márton: Biocompatibility of SU8 in th ecentral nervous system, FENS, 2017 | | H. Liliom1, P. Lajer1, Zs. Bérces2,3, B. Csernyus2, Á. Szabó4, D. Pinke5, P. Lőw6, Z. Fekete4, and A. Pongrácz3,4*, K. Schlett1: Differential effects of nanostructuring on primary neurons and astrocytes, submitted, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
