The chemistry of cyborgs - Interfacing technical devices with organisms

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 52, Issue 52, 2013, Pages 13942-13957

  Giselbrecht, Stefan ^a   Rapp, Bastian E ^a   Niemeyer, Christof M ^a  

^a KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Germany)

Author keywords

biocompatible materials; brain machine interface; flexible electronics; implants; robotics

Indexed keywords

ARTIFICIAL SYSTEMS; BIOMEDICAL RESEARCH; BRAIN MACHINE INTERFACE; COMMUNICATION AND CONTROL; ENGINEERING SCIENCE; IMPLANTABLE DEVICES; INTEGRATED ELECTRONICS; TECHNICAL DEVELOPMENT;

BIOCOMPATIBILITY; BIOLOGICAL MATERIALS; BIOMATERIALS; CYBORGS; DENTAL PROSTHESES; FLEXIBLE ELECTRONICS; IMPLANTS (SURGICAL); INTERFACES (MATERIALS); PROSTHETICS; ROBOTICS;

BIOLOGY;

BIOMATERIAL;

BRAIN COMPUTER INTERFACE; BRAIN-MACHINE INTERFACE; ELECTRONICS; ELECTROSTIMULATION THERAPY; EQUIPMENT; FLEXIBLE ELECTRONICS; HUMAN; IMPLANT; METHODOLOGY; REVIEW; ROBOTICS;

BIOCOMPATIBLE MATERIALS; BRAIN-MACHINE INTERFACE; FLEXIBLE ELECTRONICS; IMPLANTS; ROBOTICS;

BIOCOMPATIBLE MATERIALS; BRAIN-COMPUTER INTERFACES; ELECTRIC STIMULATION THERAPY; ELECTRONICS; HUMANS;

EID: 84890667987     PISSN: 14337851     EISSN: 15213773     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.201307495     Document Type: Review

References (100)

1. M. E. Clynes, N. S. Kline, Astronautics 1960, 14, 26-27.
2. E. Crubzy, P. Murail, L. Girard, J.-P. Bernadou, Nature 1998, 391, 29-29.
3. I. D. Learmonth, C. Young, C. Rorabeck, Lancet 2007, 370, 1508-1519.
4. E. Wintermantel, S.-W. Ha, Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und Verfahren, 3 rd ed., Springer, Berlin, 2002.
5. R. Langer, D. A. Tirrell, Nature 2004, 428, 487-492.
6. M. S. Mannoor, Z. Jiang, T. James, Y. L. Kong, K. A. Malatesta, W. O. Soboyejo, N. Verma, D. H. Gracias, M. C. McAlpine, Nano Lett. 2013, 13, 2634-2639
7. D. A. Zopf, S. J. Hollister, M. E. Nelson, R. G. Ohye, G. E. Green, N. Engl. J. Med. 2013, 368, 2043-2045.
8. Y. Förster, C. Rentsch, W. Schneiders, R. Bernhardt, J. C. Simon, H. Worch, S. Rammelt, Biomatter 2012, 2, 149-157
9. S. R. Meyers, M. W. Grinstaff, Chem. Rev. 2012, 112, 1615-1632.
10. A. Waldbaur, B. Waterkotte, K. Schmitz, B. E. Rapp, Small 2012, 8, 1570-1578
11. B. Waterkotte, F. Bally, P. M. Nikolov, A. Waldbaur, B. E. Rapp, R. Truckenmüller, J. Lahann, K. Schmitz, S. Giselbrecht, Adv. Funct. Mater. 2013, DOI:.
12. L. Zhang, Z. Cao, T. Bai, L. Carr, J.-R. Ella-Menye, C. Irvin, B. D. Ratner, S. Jiang, Nat. Biotechnol. 2013, 31, 553-556.
13. M. Piccolino, Brain Res. Bull. 1998, 46, 381-407.
14. K. LaFleur, K. Cassady, A. Doud, K. Shades, E. Rogin, B. He, J. Neural. Eng. 2013, 10, 046003.
15. K. Radegran, J. Cardiovasc. Surg. 2003, 18, 564-572
16. R. Elmqvist, A. Senning, in Medical Electronics: Proceedings of the Second International Conference on Medical Electronics (Ed.:, C. Smyth,), Iliffe & Sons, Paris, 1959.
17. M. Leone, Lancet Neurol. 2006, 5, 873-877.
18. R. Kwok, Nature 2013, 497, 176-178.
19. K. Amunts, C. Lepage, L. Borgeat, H. Mohlberg, T. Dickscheid, M.-É. Rousseau, S. Bludau, P.-L. Bazin, L. B. Lewis, A.-M. Oros-Peusquens, N. J. Shah, T. Lippert, K. Zilles, A. C. Evans, Science 2013, 340, 1472-1475.
20. H. Sato, M. M. Maharbiz, Front Neurosci. 2010, 4, 1-12.
21. A. J. Chung, D. Erickson, Lab Chip 2009, 9, 669-676.
22. M. Eickenscheidt, M. Jenkner, R. Thewes, P. Fromherz, G. Zeck, J. Neurophysiol. 2012, 107, 2742-2755.
23. D. A. LaVan, T. McGuire, R. Langer, Nat. Biotechnol. 2003, 21, 1184-1191
24. L. Ricotti, T. Assaf, P. Dario, A. Menciassi, J. Artif. Organs 2013, 16, 9-22.
25. S. A. Adamo, Brain Behav. Evol. 2002, 60, 370-377
26. K. Knight, J. Exp. Biol. 2013, 216, i-iv.
27. Y. Wu, T. S. Huang, in Gesture-Based Communication in Human-Computer Interaction, Vol. 1739 (Eds.:, A. Braffort, R. Gherbi, S. Gibet, J. Richardson, D. Teil,), Springer, Heidelberg, 1999, pp. 103-115.
28. F. A. Mussa-Ivaldi, L. E. Miller, Trends Neurosci. 2003, 26, 329-334.
29. H. Berger, Arch. Psychiatr. Nervenkrankh. 1929, 87, 527-570.
30. N. Birbaumer, N. Ghanayim, T. Hinterberger, I. Iversen, B. Kotchoubey, A. Kubler, J. Perelmouter, E. Taub, H. Flor, Nature 1999, 398, 297-298
31. N. Birbaumer, A. Kubler, N. Ghanayim, T. Hinterberger, J. Perelmouter, J. Kaiser, I. Iversen, B. Kotchoubey, N. Neumann, H. Flor, IEEE Trans. Rehabil. Eng. 2000, 8, 190-193.
32. E. E. Fetz, Science 1969, 163, 955-958.
33. J. M. Bronstein, et al., Arch. Neurology 2011, 68, 165-165.
34. J. E. Adams, Y. Hosobuchi, H. L. Fields, J. Neurosurg. 1974, 41, 740-744.
35. P. J. Rousche, R. A. Normann, J. Neurosci. Methods 1998, 82, 1-15.
36. M. A. Lebedev, J. M. Carmena, J. E. O'Doherty, M. Zacksenhouse, C. S. Henriquez, J. C. Principe, M. A. L. Nicolelis, J. Neurosci. 2005, 25, 4681-4693
37. M. Velliste, S. Perel, M. C. Spalding, A. S. Whitford, A. B. Schwartz, Nature 2008, 453, 1098-1101.
38. J. K. Chapin, K. A. Moxon, R. S. Markowitz, M. A. L. Nicolelis, Nat. Neurosci. 1999, 2, 664-670.
39. M. W. Keith, P. H. Peckham, G. B. Thrope, K. C. Stroh, B. Smith, J. R. Buckett, K. L. Kilgore, J. W. Jatich, J. Hand Surg. Am. 1989, 14, 524-530
40. C. M. Light, P. H. Chappell, B. Hudgins, K. Engelhart, J. Med. Eng. Technol. 2002, 26, 139-146.
41. L. R. Hochberg, D. Bacher, B. Jarosiewicz, N. Y. Masse, J. D. Simeral, J. Vogel, S. Haddadin, J. Liu, S. S. Cash, P. van der Smagt, J. P. Donoghue, Nature 2012, 485, 372-375.
42. J. Clausen, Nature 2009, 457, 1080-1081.
43. H. Sato, S. Kolev, N. Goehausen, M. N. Nyi, T. L. Massey, P. Abbeel, M. M. Maharbiz, IEEE, in 2010 IEEE Sensors 2010, pp. 1-4
44. H. Sato, C. W. Berry, Y. Peeri, E. Baghoomian, B. E. Casey, G. Lavella, J. M. Vandenbrooks, J. F. Harrison, M. M. Maharbiz, Front Integr. Neurosci. 2009, 3, 24-24.
45. N. Ando, R. Kanzaki, Zool. Sci. 2004, 21, 123-130.
46. A. Bozkurt, A. Lal, R. Gilmour in Engineering in Medicine and Biology Society, 2008. EMBS 2008. 30th Annual International Conference of the IEEE, 2008, pp. 5786-5789.
47. H. Fischer, E. Ebert, J. Exp. Biol. 1999, 202, 711-721.
48. S. K. Talwar, S. Xu, E. S. Hawley, S. A. Weiss, K. A. Moxon, J. K. Chapin, Nature 2002, 417, 37-38.
49. S. Xu, S. K. Talwar, E. S. Hawley, L. Li, J. K. Chapin, J. Neurosci. Methods 2004, 133, 57-63.
50. M. M. Maharbiz, H. Sato, Sci. Am. 2010, 303, 94-99.
51. H. Wang, R. T. Huai, J. Q. Yang, X. C. Su, Adv. Mater. Res. 2013, 655, 1061-1065.
52. M. A. L. Nicolelis, Nature 2001, 409, 403-407.
53. D. Y. Khang, H. Jiang, Y. Huang, J. A. Rogers, Science 2006, 311, 208-212.
54. J. H. Ahn, H. S. Kim, K. J. Lee, S. Jeon, S. J. Kang, Y. Sun, R. G. Nuzzo, J. A. Rogers, Science 2006, 314, 1754-1757.
55. D. H. Kim, N. Lu, R. Ma, Y. S. Kim, R. H. Kim, S. Wang, J. Wu, S. M. Won, H. Tao, A. Islam, K. J. Yu, T. I. Kim, R. Chowdhury, M. Ying, L. Xu, M. Li, H. J. Chung, H. Keum, M. McCormick, P. Liu, Y. W. Zhang, F. G. Omenetto, Y. Huang, T. Coleman, J. A. Rogers, Science 2011, 333, 838-843.
56. W. H. Yeo, Y. S. Kim, J. Lee, A. Ameen, L. Shi, M. Li, S. Wang, R. Ma, S. H. Jin, Z. Kang, Y. Huang, J. A. Rogers, Adv. Mater. 2013, 25, 2773-2778.
57. D. H. Kim, J. Viventi, J. J. Amsden, J. Xiao, L. Vigeland, Y. S. Kim, J. A. Blanco, B. Panilaitis, E. S. Frechette, D. Contreras, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Y. Huang, K. C. Hwang, M. R. Zakin, B. Litt, J. A. Rogers, Nat. Mater. 2010, 9, 511-517.
58. D. H. Kim, Y. S. Kim, J. Amsden, B. Panilaitis, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, M. R. Zakin, J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 133701.
59. J. J. Amsden, H. Perry, S. V. Boriskina, A. Gopinath, D. L. Kaplan, L. Dal Negro, F. G. Omenetto, Opt. Express 2009, 17, 21271-21279
60. S. T. Parker, P. Domachuk, J. Amsden, J. Bressnert, J. A. Lewis, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Adv. Mater. 2009, 21, 2411-2415.
61. D. H. Kim, R. Ghaffari, N. Lu, S. Wang, S. P. Lee, H. Keum, R. D'Angelo, L. Klinker, Y. Su, C. Lu, Y. S. Kim, A. Ameen, Y. Li, Y. Zhang, B. de Graff, Y. Y. Hsu, Z. Liu, J. Ruskin, L. Xu, F. G. Omenetto, Y. Huang, M. Mansour, M. J. Slepian, J. A. Rogers, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 19910-19915.
62. T. Cohen-Karni, C. M. Lieber, Pure Appl. Chem. 2013, 85, 883-901.
63. T. Dvir, B. P. Timko, D. S. Kohane, R. Langer, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 13-22.
64. T. Dvir, B. P. Timko, M. D. Brigham, S. R. Naik, S. S. Karajanagi, O. Levy, H. Jin, K. K. Parker, R. Langer, D. S. Kohane, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 720-725.
65. B. Tian, J. Liu, T. Dvir, L. Jin, J. H. Tsui, Q. Qing, Z. Suo, R. Langer, D. S. Kohane, C. M. Lieber, Nat. Mater. 2012, 11, 986-994.
66. E. M. Sletten, C. R. Bertozzi, Angew. Chem. 2009, 121, 7108-7133
67. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6974-6998.
68. P. Jonkheijm, D. Weinrich, H. Schroeder, C. M. Niemeyer, H. Waldmann, Angew. Chem. 2008, 120, 9762-9792
69. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 9618-9647
70. C. M. Niemeyer, Angew. Chem. 2010, 122, 1220-1238
71. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1200-1216.
72. D. Fine, A. Grattoni, R. Goodall, S. S. Bansal, C. Chiappini, S. Hosali, A. L. van de Ven, S. Srinivasan, X. Liu, B. Godin, L. Brousseau 3rd, I. K. Yazdi, J. Fernandez-Moure, E. Tasciotti, H. J. Wu, Y. Hu, S. Klemm, M. Ferrari, Adv. Healthc. Mater. 2013, 2, 632-666.
73. A. J. Chung, B. Cordovez, N. Jasuja, D. J. Lee, X. T. Huang, D. Erickson, Microfluid Nanofluid 2012, 13, 345-352.
74. K. Deisseroth, G. Feng, A. K. Majewska, G. Miesenbock, A. Ting, M. J. Schnitzer, J. Neurosci. 2006, 26, 10380-10386
75. G. Miesenböck, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2011, 27, 731-758.
76. For example, see: DARPA project "Reorganization and Plasticity to Accelerate Injury Recovery, REPAIR" http://www.darpa.mil/Our-Work/DSO/ Programs/Reorganization-and-Plasticity-to-Accelerate-Injury-Recovery- %28REPAIR%29.aspx; accessed August 2013.
77. T. Fehrentz, M. Schönberger, D. Trauner, Angew. Chem. 2011, 123, 12362-12390
78. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12156-12182.
79. S. Q. Lima, G. Miesenböck, Cell 2005, 121, 141-152.
80. B. V. Zemelman, N. Nesnas, G. A. Lee, G. Miesenböck, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 1352-1357.
81. J. A. McCray, D. R. Trentham, Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 1989, 18, 239-270.
82. T.-i. Kim, J. G. McCall, Y. H. Jung, X. Huang, E. R. Siuda, Y. Li, J. Song, Y. M. Song, H. A. Pao, R.-H. Kim, C. Lu, S. D. Lee, I.-S. Song, G. Shin, R. Al-Hasani, S. Kim, M. P. Tan, Y. Huang, F. G. Omenetto, J. A. Rogers, M. R. Bruchas, Science 2013, 340, 211-216.
83. V. S. Mallela, V. Ilankumaran, N. S. Rao, Indian Pacing Electrophysiol. J. 2004, 4, 201-212.
84. J. H. Kennedy, C. C. Enger, Jr., A. G. Michel, Ann. Thorac. Surg. 1966, 2, 576-584.
85. A. Pfenniger, D. Obrist, A. Stahel, V. Koch, R. Vogel, Med. Biol. Eng. Comput. 2013, 51, 741-755.
86. P. P. Mercier, A. C. Lysaght, S. Bandyopadhyay, A. P. Chandrakasan, K. M. Stankovic, Nat. Biotechnol. 2012, 30, 1240-1243.
87. L. W. Reynolds, Aerosp. Med. 1964, 35, 115-117.
88. M. Schaldach, U. Kirsch, Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs 1970, 16, 184-192.
89. M. Schaldach, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1969, 167, 1016-1024.
90. P. Cinquin, C. Gondran, F. Giroud, S. Mazabrard, A. Pellissier, F. Boucher, J.-P. Alcaraz, K. Gorgy, F. Lenouvel, S. Mathé, P. Porcu, S. Cosnier, PLoS ONE 2010, 5, e 10476
91. L. Halámková, J. Halámek, V. Bocharova, A. Szczupak, L. Alfonta, E. Katz, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5040-5043.
92. R. F. Service, Science 2013, 340, 1162-1165.
93. N. C. Seeman, Nature 2003, 421, 427-431
94. U. Feldkamp, C. M. Niemeyer, Angew. Chem. 2006, 118, 1888-1910
95. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1856-1876
96. B. Saccà, C. M. Niemeyer, Angew. Chem. 2012, 124, 60-69
97. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 58-66, and references therein.
98. K. Famm, B. Litt, K. J. Tracey, E. S. Boyden, M. Slaoui, Nature 2013, 496, 159-161.
99. J. C. Nawroth, H. Lee, A. W. Feinberg, C. M. Ripplinger, M. L. McCain, A. Grosberg, J. O. Dabiri, K. K. Parker, Nat. Biotechnol. 2012, 30, 792-797.
100. For impressive examples of autonomous robotic devices the reader is referred to the websites of Boston Dynamics, http://www.bostondynamics.com/, http://www.YouTube.com/BostonDynamics or to FESTO, http://www.festo.com/cms/en- corp/11369.htm, accessed August 2013.