GIN - Graphene-based Interfaces for Neuroapplications
Project description
The ability to repair damaged organs with brain-controlled electromechanical devices has long been imagined in science fiction. However, this dream is now becoming a reality and there are already examples of such devices on the market such as the cochlear implant. Replacing a limb with a robotic device requires, however, much more complex devices.
A key component for the realization of such devices is the interface between the nervous system and machines. The current technology is based on hard metal materials, which are not compatible with soft tissues leading to inflammation and degradation. The devices are also relatively bulky. Our project aims to solve this problem by applying the latest advances in nanoscience and -technology on flexible carbon material graphene.
Graphene is a one-atom thick biocompatible all-carbon material, which is soft and flexible, but mechanically durable and has excellent electronic properties that are suitable for device fabrication. Using graphene as a sensor material for neuronal signalling creates new types of flexible graphene-based devices capable of recording and stimulating electrical and chemical signals from neurons or nerves at high temporal and spatial resolution.
Our vision is that a graphene-based device becomes a flexible part of a living tissue. Thus, by combining excellent properties of graphene, novel optical modification techniques, nano- and microfabrication, neuroscience and clinical microsurgery, our major goal is to develop a flexible and tissue-compatible nerve-machine interface for future neuroprosthetics.
To serve as an interphase device for delivering motory signals to the robotic device and sensory signals from the sensor of the robotic device, our device has to include both sensors and stimulators and they should be placed on a same substrate. The logic of the device is illustrated in Figure 1.
GIN Work Packages
Impact and Innovation
The development of a working two-way communication nerve-machine interface would be a breakthrough that enables development of advanced prostheses. The ultimate goal is to enable restoration of lost functions via connection of the body to advanced robotic devices. Along the way, many technologies will be developed that find broad use in various biomedical applications.
We are looking for commercial and industrial partners to build a collaborative network for rapid utilization of the results of the project at the right time. We welcome interested partners to contact us and learn the current status and prospects of the project.
Contact us
Partnership and media contacts
Mika Pettersson, Professor
Project leader
Nanoscience Center
Department of Chemistry
University of Jyväskylä, Finland
+358 (0)50 310 9969,
ㅤㅤㅤㅤ
Industrial partner and investor contacts
Tuula Palmén, EMBA, PhD
Impact and commercialization expert
Research and Innovation Services
University of Jyväskylä, Finland
+358 (0)50 436 7181,
Suomeksi
Kyky korjata vaurioituneita tai puuttuvia elimiä aivojen ohjaamilla sähkömekaanisilla laitteilla on ollut pitkään suosittu aihe tieteiskirjallisuudessa. Tästä unelmasta on nyt kuitenkin tulossa totta, ja markkinoilla on jo esimerkkejä tällaisista laitteista, kuten sisäkorvaimplantti. Raajan korvaaminen robottiproteesilla vaatii kuitenkin paljon monimutkaisempia laitteita ja kehittyneempää teknologiaa. Keskeinen osa tällaisten laitteiden toteutusta on hermoston ja koneiden välinen rajapinta. Nykyinen teknologia perustuu koviin materiaaleihin, jotka eivät ole hyvin yhteensopivia pehmytkudosten kanssa ja aiheuttavat tulehdusta ja arpeutumista. Laitteet ovat myös suhteellisen kömpelöitä. Projektimme tavoitteena on ratkaista tämä ongelma soveltamalla nanotieteen ja teknologian viimeisimpiä edistysaskeleita liittyen joustavaan hiilimateriaali grafeeniin. Grafeeni on yhden atomin paksuinen, bioyhteensopiva kokonaan hiilestä koostuva materiaali, joka on pehmeää ja joustavaa, mutta mekaanisesti kestävää ja sillä on erinomaiset elektroniset ominaisuudet, jotka soveltuvat laitteiden valmistukseen. Käytämme grafeenia sensorimateriaalina hermosolujen signalointiin korkealla ajallisella ja avaruudellisella erotuskyvyllä. Visiomme on, että grafeenipohjainen laite muuttuu joustavaksi osaksi elävää kudosta. Näin ollen yhdistämällä grafeenin erinomaiset ominaisuudet, uudet optiset muokkaustekniikat, nano- ja mikrovalmistusmenetelmät, neurotieteen ja kliinisen mikrokirurgian, päätavoitteemme on kehittää joustava ja kudosyhteensopiva hermo-koneliitäntä tulevaisuuden neuroproteeseja varten. Toimiakseen rajapintana motoristen signaalien välittämiseen robottilaitteelle ja sensorisignaaleihin robottilaitteen sensorilta, laitteemme sisältää sekä anturit että stimulaattorit. Laitteen logiikka on havainnollistettu kuvassa 1.