Шелк позволит создавать биоинтегрированные электронные устройства
Американские ученые разработали способ подключения крошечных электрических цепей к мозгу (в том числе и человеческому) при помощи высококачественного биологически совместимого интерфейса на основе шелковых нитей. Новый способ позволяет «опутывать» живые биологические ткани и проводить измерения, не повреждая их.
Мозговые сигналы имеют достаточно низкий уровень, вынуждая для их фиксации использовать большие по площади датчики. В то же время, поверхностная структура мозга, как животных, так и человека, достаточно сложна, что делает задачу исследования электрических сигналов, проходящих по клеткам, практически не решаемой. Жесткие электроды либо обеспечивают слишком малую площадь контакта с клетками (при этом часть поверхности электрода не работает), либо вызывают достаточно масштабные повреждения исследуемого образца.
Таким образом, основная проблема заключается в поиске достаточно гибкого, прочного, но «цепкого» электрода. Несмотря на кажущуюся противоречивость начальных условий поставленной задачи, проблему решила группа ученых из University of Illinois (США), чья работа была опубликована в журнале Nature Materials.
Биоинтегрированные устройства, предложенные исследователями, состоят из множества электродов, выполненных из, казалось бы, обычных материалов. В первую очередь, это кремний. Однако, электроды созданы чрезвычайно тонкими и формируют открытую сеть. Обычно такую сеть было невозможно применять на практике, т.к. она была слишком гибкой. Но в данном случае электроды «монтировались» на шелковые нити, осуществляющие механическую поддержку, столь необходимую для выполнения «подключения», т.е. для подсоединения электродов к нервным клеткам.
После этапа «подключения» ученые удаляли шелковые нити при помощи обычного солевого раствора. Теряя «опору» в виде шелковой нити, открытая сеть из кремниевых электродов сжимается вокруг поверхности нервных клеток. Это происходит благодаря капиллярным явлениям на поверхности сети. Сжатие обеспечивает наилучший контакт электродов с тканями мозга. Благодаря низкому сопротивлению контакта, методика позволяет фиксировать электрические мозговые сигналы с непревзойденной точностью. И самое главное достижение ученых в том, что в данном случае ткань никоим образом не повреждается.
Группа ученых уже провела первые испытания своей методики на модели мозга кошки. Проведенный эксперимент позволил сделать вывод о том, что такая схема позволит получить отличные результаты при измерении мозговых сигналов животных. Кроме того, мозг кошки никак не реагировал на устройство, т.е. не показывал признаков отторжения как минимум в течение четырех недель.
Применить предложенный способ для подключения электронных цепей к биологическим тканям можно уже сейчас в самом широком диапазоне областей, от диагностики таких заболеваний, как эпилепсия, до создания интерфейса мозг-компьютер. Однако, ученые планируют продолжить работы в этом направлении. В частности, первейшей целью будет испытание более сложной электроники, а также разработка электродов с интегрированными активными усилителями, позволяющими повысить качество получаемого сигнала.
В ближайшее время технологию планируется сделать доступной научным группам во всем мире.
