Wyszukaj obraz „implanty elektroniczne”, a otrzymasz szeroki asortyment urządzeń, od tradycyjnych rozruszników serca i implantów ślimakowych po bardziej futurystyczne mikroczipy do mózgu i siatkówki, mające na celu poprawę widzenia, leczenie depresji i przywracanie mobilności.
Niektóre implanty są twarde i nieporęczne, podczas gdy inne są elastyczne i cienkie. Ale bez względu na ich formę i funkcję, prawie wszystkie implanty zawierają elektrody – małe elementy przewodzące, które przyczepiają się bezpośrednio do docelowych tkanek w celu elektrycznej stymulacji mięśni i nerwów.
Wszczepialne elektrody są wykonane głównie ze sztywnych metali, które z natury przewodzą prąd elektryczny. Ale z biegiem czasu metale mogą pogarszać stan tkanek, powodując blizny i stany zapalne, które z kolei mogą pogorszyć działanie implantu.
Teraz inżynierowie z MIT opracowali wolny od metali galaretowaty materiał, który jest tak miękki i twardy jak tkanka biologiczna i może przewodzić elektryczność podobnie jak konwencjonalne metale. Materiał można przekształcić w nadający się do drukowania atrament, z którego naukowcy uformowali elastyczne, gumowate elektrody. Nowy materiał, który jest rodzajem wysokowydajnego przewodzącego hydrożelu polimerowego, może pewnego dnia zastąpić metale jako funkcjonalne elektrody żelowe o wyglądzie i dotyku tkanki biologicznej.
„Ten materiał działa tak samo jak elektrody metalowe, ale jest wykonany z żeli, które są podobne do naszych ciał i mają podobną zawartość wody” – mówi Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, współzałożyciel SanaHeal, startupu zajmującego się urządzeniami medycznymi. „To jest jak sztuczna tkanka lub nerw”.
„Wierzymy, że po raz pierwszy mamy twardą, solidną elektrodę podobną do galaretki, która może potencjalnie zastąpić metal w celu stymulowania nerwów i łączenia się z sercem, mózgiem i innymi narządami w ciele”, dodaje Xuanhe Zhao, profesor inżynierii mechanicznej oraz inżynierii lądowej i środowiskowej na MIT.
Zhao, Yuk i inni z MIT i innych instytucji podają swoje wyniki w Nature Materials. Współautorami badania są pierwszy autor i były postdoc MIT Tao Zhou, który jest obecnie adiunktem na Penn State University oraz koledzy z Jiangxi Science and Technology Normal University i Shanghai Jiao Tong University.
Prawdziwe wyzwanie
Zdecydowana większość polimerów jest z natury izolująca, co oznacza, że elektryczność nie przechodzi przez nie łatwo. Ale istnieje mała i specjalna klasa polimerów, które w rzeczywistości mogą przepuszczać elektrony przez swoją masę. Po raz pierwszy wykazano, że niektóre polimery przewodzące wykazują wysoką przewodność elektryczną w latach 70.
Niedawno naukowcy, w tym ci z laboratorium Zhao, próbowali użyć przewodzących polimerów do wytworzenia miękkich, wolnych od metali elektrod do użytku w implantach bioelektronicznych i innych urządzeniach medycznych. Wysiłki te miały na celu stworzenie miękkich, ale wytrzymałych, przewodzących prąd elektryczny folii i łat, głównie poprzez zmieszanie cząstek przewodzących polimerów z hydrożelem – rodzajem miękkiego i gąbczastego polimeru bogatego w wodę.
Naukowcy mieli nadzieję, że połączenie przewodzącego polimeru i hydrożelu da elastyczny, biokompatybilny i przewodzący prąd elektryczny żel. Jednak dotychczas wykonane materiały były albo zbyt słabe i kruche, albo wykazywały słabe parametry elektryczne.
“W materiałach żelowych właściwości elektryczne i mechaniczne zawsze walczą ze sobą” – mówi Yuk. „Jeśli poprawia się właściwości elektryczne żelu, trzeba poświęcić właściwości mechaniczne i odwrotnie. Ale w rzeczywistości potrzebujemy obu: materiał powinien być przewodzący, a także rozciągliwy i wytrzymały. To było prawdziwe wyzwanie i powód, dla którego ludzie nie mógł przekształcić przewodzących polimerów w niezawodne urządzenia wykonane w całości z żelu”.
Spaghetti elektryczne
W swoim nowym badaniu Yuk i jego współpracownicy stwierdzili, że potrzebują nowej receptury mieszania przewodzących polimerów z hydrożelami w sposób, który poprawi zarówno właściwości elektryczne, jak i mechaniczne odpowiednich składników.
„Ludzie wcześniej polegali na jednorodnym, losowym mieszaniu dwóch materiałów” – mówi Yuk.
Takie mieszaniny tworzyły żele z losowo rozproszonych cząstek polimeru. Grupa zdała sobie sprawę, że aby zachować wytrzymałość elektryczną i mechaniczną odpowiednio przewodzącego polimeru i hydrożelu, oba składniki należy wymieszać w taki sposób, aby lekko się odpychały – stan znany jako rozdział faz. W tym nieco oddzielonym stanie każdy składnik może następnie łączyć swoje odpowiednie polimery, tworząc długie, mikroskopijne pasma, jednocześnie mieszając się jako całość.
„Wyobraź sobie, że robimy elektryczne i mechaniczne spaghetti” — proponuje Zhao. „Elektryczne spaghetti to przewodzący polimer, który może teraz przenosić elektryczność przez materiał, ponieważ jest ciągły. A mechaniczny spaghetti to hydrożel, który może przenosić siły mechaniczne oraz być twardy i rozciągliwy, ponieważ jest również ciągły”.
Następnie naukowcy zmodyfikowali przepis, aby ugotować spaghetified żel w tusz, który podali przez drukarkę 3D i wydrukowali na filmach z czystego hydrożelu, we wzory podobne do konwencjonalnych elektrod metalowych.
„Ponieważ ten żel można wydrukować w 3D, możemy dostosować geometrię i kształty, co ułatwia wytwarzanie interfejsów elektrycznych dla wszystkich rodzajów narządów” – mówi pierwszy autor Zhou.
Następnie naukowcy wszczepili wydrukowane elektrody podobne do galaretki w serce, nerw kulszowy i rdzeń kręgowy szczurów. Zespół testował działanie elektryczne i mechaniczne elektrod na zwierzętach przez okres do dwóch miesięcy i stwierdził, że urządzenia pozostawały stabilne przez cały czas, z niewielkim stanem zapalnym lub bliznami w otaczających tkankach. Elektrody były również w stanie przekazywać impulsy elektryczne z serca do zewnętrznego monitora, a także dostarczać małe impulsy do nerwu kulszowego i rdzenia kręgowego, co z kolei stymulowało aktywność motoryczną w powiązanych mięśniach i kończynach.
Idąc dalej, Yuk przewiduje, że natychmiastowe zastosowanie nowego materiału może dotyczyć osób wracających do zdrowia po operacji serca.
„Ci pacjenci potrzebują kilku tygodni wsparcia elektrycznego, aby uniknąć zawału serca jako efektu ubocznego operacji” – mówi Yuk. „Tak więc lekarze przyszywają metalową elektrodę do powierzchni serca i stymulują ją przez tygodnie. Możemy zastąpić te metalowe elektrody naszym żelem, aby zminimalizować komplikacje i skutki uboczne, które ludzie obecnie po prostu akceptują”.
Zespół pracuje nad przedłużeniem żywotności i wydajności materiału. Następnie żel mógłby być używany jako miękki interfejs elektryczny między narządami i implantami długoterminowymi, w tym rozrusznikami serca i głębokimi stymulatorami mózgu.
„Celem naszej grupy jest zastąpienie szkła, ceramiki i metalu wewnątrz ciała czymś takim jak Jell-O, aby było bardziej łagodne, ale miało lepszą wydajność i mogło trwać długo” – mówi Zhao. „To nasza nadzieja”.
Badania te są częściowo wspierane przez National Institutes of Health.