Электрод, вдохновленный паучьим шелком, открывает новые возможности для биомедицинских устройств следующего поколения

Международная группа ученых разработала гибкий электрод, который наматывается на мышцы, нервы и сердце и обеспечивает электрическую стимуляцию тканей или запись электрической активности. Электрод, вдохновленный паучьим шелком, сжимается, приспосабливаясь к биологической ткани, нетоксичен и работает лучше, чем традиционные растягивающиеся электроды.

Это нововведение может открыть двери биомедицинским устройствам для мониторинга аритмий, восстановления нервов, закрытия ран и уменьшения рубцов.

тот Стади Он был опубликован в природа В декабре под руководством профессора Чэнь Сяодуна из Школы материаловедения и инженерии Тайваньского национального университета; профессор Гао Хуацзян из Школы машиностроения и аэрокосмической техники НТУ; профессор Лю Чжиюань из Китайской академии наук; Профессор Ху Биньхуэй из Нанкинского медицинского университета.

Научитесь заключать контракты с природой

Электрод изготовлен из гибкого материала, который сжимается при намокании и надежно прилегает к тканям и органам.

Вдохновленные структурой паучьего шелка, которая позволяет ему сжиматься при намокании, ученые создали материал, смешав соединение под названием полукристаллический поли(этиленоксид) (ПЭО) с другим соединением поли(этиленгликоль)-альфа-циклодекстрин (ЭК). IC связывает полукристаллические структуры ПЭО и удерживает их вместе.

Затем материал неоднократно растягивали, образуя тонкий слой. Расширение приводит к образованию мостиков и пор полукристаллического ПЭО. Тем временем полукристаллический ПЭО снова превращается в кристаллы, стабилизируя материал в расширенном состоянии по мере высыхания пленки.

Когда сухая пленка вступает в контакт с водой, вода разрушается и растворяет структуры ПЭО, заставляя их мгновенно сжиматься и плавно прилегать к тканям и органам, как термоусадочная пленка.

Эксперименты, проведенные на культурах клеток, показали, что вещество не токсично для клеток.

Покажите свои способности на пилоне

Чтобы создать гибкий электрод, исследователи нанесли золото, которое является электрическим проводником, на сухую, прочную пленку перед ее смачиванием.

В экспериментах на мышах команда продемонстрировала, что электрод, созданный с использованием пленки, может эффективно доставлять электрические импульсы к нервам. Электрод также может регистрировать электрические сигналы от мышц, нервов и сердца с более высокой чувствительностью, чем традиционные растягивающиеся золотые электроды, благодаря уплотнению между электродом и тканью.

Ученые также показали, что электрод может обнаруживать электрическую активность, возникающую в результате стимуляции мышечного трансплантата нервом — процедура, обычно используемая для управления протезами конечностей или лечения фантомных болей после ампутации конечностей.

«Наш водоотталкивающий материал может сыграть важную роль в формировании следующего поколения биомедицинских приложений на стыке между электроникой и человеческим телом», — сказал доктор И Цзюньци, научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии NTU и NTU. Институт материаловедения и инженерии. Digital Molecular Analytics and Science, первый автор исследования.

Ученые доказали, что вокруг сердца крысы можно обернуть электрод для обнаружения электрических сигналов, возникающих в результате нерегулярного сердцебиения, без изменения его размера или формы.

Чтобы разместить электрод вокруг сердца, его сначала доставляют в грудную клетку через небольшой разрез под контролем камеры. Затем электрод открывается и окружает сердечник для облегчения установки. Когда электрод вступает в контакт с водой в грудной полости, он сжимается и обертывается вокруг сердца.

По мнению исследователей, электрод можно устанавливать временно или постоянно, в зависимости от его применения. Например, электрод можно легко снять, когда он больше не нужен. Устройство можно оставить на месте, если необходим долгосрочный мониторинг или электростимуляция.

«Поскольку наша инновация неинвазивна, она может сделать процедуры имплантации устройств более безопасными и простыми», — сказал профессор Чен.

«Мы полагаем, что такие материалы, которые быстро сжимаются по требованию, откроют путь для биомедицинских применений в будущем», — сказал профессор Гао Хуацзянь.

Профессор Цуёси Секитани сказал: «Благодаря способности измерять тонкую и точную активность живых тканей гибкий электрод открывает двери к огромным возможностям для выяснения механизмов заболеваний головного мозга, а также для лечения трудноизлечимых нейродегенеративных заболеваний». Эксперт по гибким электронным устройствам из Научно-промышленного исследовательского института Университета Осаки, не принимавший участия в исследовании.

В настоящее время ученые работают над повышением долгосрочной стабильности электрода и улучшением его характеристик. В будущем планируют провести клинические испытания, чтобы убедиться в безопасном использовании электрода.