Уявіть собі майбутнє, де ваш лікар може вводити гель у вашу тканину, і гель утворює м’який струмопровідний електрод. Потім це можна використовувати для лікування захворювань нервової системи. Через деякий час електрод розчинився і зник. Шведські дослідники вже розробили гель і з часом хочуть отримати можливість підключити електроніку до біологічної тканини, наприклад мозку.

Провідність ін'єкційного гелю перевіряється на мікросхемі. Зображення: Thor Balkhed/Linköping University
Електронна медицина – це сфера досліджень, яка не вписується в існуючу сферу.
«Зараз ви спілкуєтеся з фізиком, хіміком і мною, який має досвід біомедицини. Ми працюємо разом з матеріалознавцями та інженерами-електриками, щоб інтегрувати знання з наших різних галузей. Щоб це працювало, вам потрібно розуміти мозок, а також хімію та фізику», — каже Ханне Бісманс, докторант Лабораторії органічної електроніки LOE в Університеті Лінчепінга.
Дослідження, на яке вона посилається, стосується так званої органічної електроніки, яку можна підключити до живої тканини. Довгострокова мета — мати можливість лікувати різні захворювання нервової системи та мозку. Її колега Тобіас Абрахамссон — хімік.
«Міждисциплінарний характер наших досліджень, де ми поєднуємо різні аспекти та галузі знань, є дуже захоплюючим. Можна також сказати, що у мене більше особиста мотивація, тому що в моїй родині є захворювання, які вражають нервову систему», – каже він.
Перекладає між біологією та електронікою
Але що таке органічна електроніка? І як його можна використовувати для лікування захворювань, таких як епілепсія, депресія або хвороби Альцгеймера та Паркінсона, які сьогодні важко лікувати?
«В організмі комунікація відбувається через безліч малих молекул, таких як нейротрансмітери та іони. Нейронна сигналізація - це, наприклад, також хвиля іонів, яка викликає електричний імпульс. Тож ми хочемо щось, що може сприймати всю цю інформацію та діяти як транслятор між іонами та електронами», — каже Ксенофон Стракосас, доцент з фізикою.
У 2023 році їм разом з іншими дослідниками з Лінчепінгського університету, Лундського університету та Гетеборзького університету вдалося виростити гелеві електроди в живій тканині.
«Замість того, щоб використовувати метали та інші неорганічні матеріали для проведення струму, електроніку можна створити з використанням різних матеріалів на основі атомів вуглецю та водню, іншими словами, органічних матеріалів, які є провідними. Вони більш сумісні з біологічними тканинами і, отже, краще підходять для інтеграції, наприклад, з тілом», — говорить Тобіас Абрахамссон.
Органічні електронні матеріали дуже корисні для проведення біологічних сигналів, оскільки вони можуть проводити іони, а також електрони. Крім того, вони м'які, на відміну від металів.
Електростимуляція мозку вже використовується для лікування деяких захворювань. Електроди імплантують у мозок, наприклад, для лікування хвороби Паркінсона.
«Але імплантати, які сьогодні використовуються в клінічній практиці, досить рудиментарні; вони засновані на твердих або твердих матеріалах, таких як метали. І тіло наше м'яке. Отже, виникає тертя, яке може призвести до запалення та утворення рубцевої тканини. Наші матеріали м’якші та більш сумісні з тілом», – каже Ханне Бісманс.
Електроди всередині рослин
Ще близько десяти років тому їхні колеги з LOE показали, що вони можуть змусити рослини всмоктувати розчинну у воді речовину, яка всередині стебла рослини утворює структуру, яка проводить електрику. Свого роду електрод, інакше кажучи, всередині рослини.
Речовина, про яку йде мова, є так званим полімером – речовиною, яка складається з багатьох дрібних подібних одиниць, які разом можуть утворювати довгі ланцюги за допомогою процесу, що називається полімеризацією. Тоді використовувалися троянди, і дослідники змогли показати, що вони створили органічні електроди. Це відкрило двері для нової галузі досліджень.
«Але шматка не вистачало. Ми не знали, як змусити полімери утворюватися всередині ссавців і, наприклад, у мозку. Але потім ми зрозуміли, що можемо мати ензими в гелі та використовувати власні речовини організму, щоб розпочати полімеризацію», — каже Ксенофон Стракосас.
Ця ідея привела до того, що дослідники тепер можуть вводити помірно в’язкий гелеподібний розчин у тканину. При контакті з власними речовинами організму, такими як глюкоза, властивості гелю змінюються. І шведські дослідники першими в світі досягли успіху з методом активації утворення електродів у тканині.
«Гель самополімеризується в тканині і стає електропровідним. Ми дозволяємо біології робити це за нас», — каже Ксенофон Стракосас.
Крім того, він залишається в місці введення. Це важливо, тому що дослідники хочуть мати можливість контролювати, де в тканині знаходиться гель. Дослідницька група показала, що таким чином вони можуть вирощувати електроди в мозку рибок даніо та навколо нервової системи п’явок. Зараз вони досліджують, чи діє він також на мишах.
Але попереду ще довгий шлях, перш ніж лікування хвороб гелем стане реальністю. Спочатку дослідницька група дослідить, наскільки гель стабільний у тканині. Чи ламається він через деякий час і що відбувається тоді? Інше важливе питання полягає в тому, як провідний гель можна підключити до електроніки поза тілом.
«Це не найпростіша річ, але я сподіваюся, що з часом цей метод можна буде використовувати для моніторингу того, що відбувається всередині організму, аж до клітинного рівня. Тоді, можливо, ми зможемо більше зрозуміти, що викликає або призводить до різних захворювань у нервовій системі», — говорить Тобіас Абрахамссон.
«Залишилося багато вирішити, але ми досягаємо прогресу», — каже Ксенофон Стракосас. Було б чудово, якби ми зрештою могли використовувати електроди для зчитування сигналів всередині тіла та використовувати їх для досліджень або в охороні здоров’я».
Автор Карін Седерлунд Лейфлер
джерело: Університет Лінчепінгу