Представьте себе будущее, в котором ваш врач может ввести гель в ваши ткани, и гель образует мягкий токопроводящий электрод. Затем это можно использовать для лечения заболеваний нервной системы. Через некоторое время электрод растворился и исчез. Шведские исследователи уже разработали гель и со временем хотят иметь возможность подключать электронику к биологическим тканям, таким как мозг.
Проводимость инъекционного геля проверяется на микросхеме. Изображение предоставлено: Тор Балхед/Университет Линчепинга
Электронная медицина — это область исследований, которая не вписывается в существующие области.
«Прямо сейчас вы разговариваете с физиком, химиком и мной, имеющим опыт работы в биомедицине. Мы работаем вместе с учеными-материаловедами и инженерами-электриками, чтобы интегрировать знания из наших различных областей. Чтобы это работало, вам нужно понимать работу мозга, а также понимать химию и физику», — говорит Ханне Бисманс, аспирант Лаборатории органической электроники LOE в Университете Линчёпинга.
Исследование, на которое она ссылается, касается так называемой органической электроники, которую можно подключить к живой ткани. Долгосрочная цель — научиться лечить различные заболевания нервной системы и мозга. Ее коллега Тобиас Абрахамссон — химик.
«Междисциплинарный характер наших исследований, в которых мы объединяем разные аспекты и области знаний, очень интересен. Можно также сказать, что у меня более личная мотивация, так как в моей семье есть заболевания, поражающие нервную систему», — говорит он.
Переводит между биологией и электроникой
Но что такое органическая электроника? И как его можно использовать для лечения таких заболеваний, как эпилепсия, депрессия или болезни Альцгеймера и Паркинсона, которые сегодня трудно поддаются лечению?
«В организме связь осуществляется посредством множества маленьких молекул, таких как нейротрансмиттеры и ионы. Нейронная передача сигналов — это, например, также волна ионов, вызывающая электрический импульс. Поэтому нам нужно что-то, что могло бы принять всю эту информацию и действовать как переводчик между ионами и электронами», — говорит Ксенофонт Стракосас, доцент с опытом работы в области физики.
В 2023 году им вместе с другими исследователями из Университета Линчепинга, Лундского университета и Гетеборгского университета удалось вырастить гелевые электроды в живой ткани.
«Вместо того, чтобы использовать металлы и другие неорганические материалы для проведения тока, электронику можно создать с использованием различных материалов на основе атомов углерода и водорода – другими словами, органических материалов – которые являются проводящими. Они более совместимы с биологическими тканями и, следовательно, лучше подходят для интеграции, например, в организм», — говорит Тобиас Абрахамссон.
Органические электронные материалы очень полезны для проведения биологических сигналов, поскольку они могут проводить как ионы, так и электроны. Кроме того, они мягкие, в отличие от металлов.
Электрическая стимуляция мозга уже используется для лечения некоторых заболеваний. Электроды вживляют в мозг, например, для лечения болезни Паркинсона.
«Но имплантаты, используемые сегодня в клинической практике, довольно примитивны; они основаны на твердых или жестких материалах, таких как металлы. И наше тело мягкое. Возникает трение, которое может привести к воспалению и образованию рубцовой ткани. Наши материалы мягче и лучше прилегают к телу», — говорит Ханне Бисманс.
Электроды внутри растений
Еще около десяти лет назад их коллеги из LOE показали, что они могут заставить растения поглощать водорастворимое вещество, которое внутри стебля растения образует структуру, проводящую электричество. Другими словами, своего рода электрод внутри растения.
Вещество, о котором идет речь, представляет собой так называемый полимер – вещество, состоящее из множества небольших одинаковых звеньев, которые вместе могут образовывать длинные цепи в результате процесса, называемого полимеризацией. Тогда использовались розы, и исследователям удалось доказать, что они создали органические электроды. Это открыло дверь в новую область исследований.
«Но какой-то части не хватало. Мы не знали, как заставить полимеры образовываться внутри млекопитающих и, например, в мозге. Но затем мы поняли, что можем содержать ферменты в геле и использовать собственные вещества организма для начала полимеризации», — говорит Ксенофон Стракосас.
Эта идея привела к тому, что исследователи теперь могут вводить слегка вязкий гелеобразный раствор в ткань. При контакте с собственными веществами организма, такими как глюкоза, свойства геля изменяются. А шведские исследователи первыми в мире преуспели в использовании метода активации образования электродов в тканях.
«Гель самополимеризуется в тканях и становится электропроводящим. Мы позволяем биологии сделать это за нас», — говорит Ксенофонт Стракосас.
Также он остается в том месте, куда был введен. Это важно, поскольку исследователи хотят иметь возможность контролировать, где в ткани находится гель. Исследовательская группа показала, что таким способом они могут выращивать электроды в мозгу рыбок данио и вокруг нервной системы пиявок. Сейчас они исследуют, работает ли это и на мышах.
Но предстоит пройти долгий путь, прежде чем лечение заболеваний с помощью геля станет реальностью. Сначала исследовательская группа исследует, насколько стабилен гель внутри ткани. Сломается ли он через некоторое время и что тогда происходит? Еще один важный вопрос — как проводящий гель можно соединить с электроникой вне тела.
«Это не самая простая задача, но я надеюсь, что со временем этот метод можно будет использовать для мониторинга того, что происходит внутри организма, вплоть до клеточного уровня. Тогда, возможно, мы сможем лучше понять, что вызывает или приводит к различным заболеваниям нервной системы», — говорит Тобиас Абрахамссон.
«Еще многое предстоит решить, но мы добиваемся прогресса», — говорит Ксенофонт Стракосас. Было бы здорово, если бы мы могли в конечном итоге использовать электроды для считывания сигналов внутри тела и использовать их для исследований или в здравоохранении».
Автор Карин Сёдерлунд Лейфлер
Источник: Университет Линчёпинга
