Home » Инженеры Массачусетского технологического института разработали мягкий электрод без содержания металла, пригодный для печати | Новости Массачусетского технологического института

Инженеры Массачусетского технологического института разработали мягкий электрод без содержания металла, пригодный для печати | Новости Массачусетского технологического института

Выполните поиск изображений по запросу «электронные имплантаты», и вы найдете широкий ассортимент устройств, от традиционных кардиостимуляторов и кохлеарных имплантатов до более футуристических микрочипов для мозга и сетчатки, предназначенных для улучшения зрения, лечения депрессии и восстановления подвижности.

Некоторые имплантаты твердые и громоздкие, а другие гибкие и тонкие. Но независимо от их формы и функции, почти все имплантаты содержат электроды — небольшие проводящие элементы, которые прикрепляются непосредственно к тканям-мишеням для электрической стимуляции мышц и нервов.

Имплантируемые электроды преимущественно изготавливаются из твердых металлов, обладающих электропроводностью по своей природе. Но со временем металлы могут раздражать ткани, вызывая рубцевание и воспаление, что, в свою очередь, может ухудшить работу имплантата.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали не содержащий металлов материал, похожий на желе, который является таким же мягким и прочным, как биологическая ткань, и может проводить электричество так же, как обычные металлы. Материал можно превратить в чернила для печати, которые исследователи превратили в гибкие резиновые электроды. Новый материал, который представляет собой тип высокоэффективного проводящего полимерного гидрогеля, может однажды заменить металлы в качестве функциональных электродов на основе геля, с внешним видом и ощущением биологической ткани.

«Этот материал работает как металлические электроды, но сделан из гелей, которые похожи на наши тела и с таким же содержанием воды», — говорит Хюнву Юк С.М. 16 г., доктор философии 21 г., соучредитель SanaHeal, стартапа по производству медицинских устройств. «Это как искусственная ткань или нерв».

«Мы считаем, что впервые у нас есть прочный, надежный, похожий на желе электрод, который потенциально может заменить металл для стимуляции нервов и взаимодействия с сердцем, мозгом и другими органами тела», — добавляет Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения, а также гражданской и экологической инженерии в Массачусетском технологическом институте.

Read more:  Отношения Индии с Канадой, возможно, претерпели «тональный сдвиг» в последние дни, говорит Джастин Трюдо | Мировые новости

Чжао, Юк и другие сотрудники Массачусетского технологического института и других организаций сообщают о своих результатах сегодня в Природные материалы. В число соавторов исследования входят первый автор и бывший постдоктор Массачусетского технологического института Тао Чжоу, который в настоящее время является доцентом Пенсильванского государственного университета, а также его коллеги из Цзянсиского научно-технического педагогического университета и Шанхайского университета Цзяо Тонг.

Настоящий вызов

Подавляющее большинство полимеров являются изолирующими по своей природе, а это означает, что электричество не проходит через них легко. Но существует небольшой и особый класс полимеров, которые действительно могут пропускать электроны через свой объем. Впервые было показано, что некоторые проводящие полимеры обладают высокой электропроводностью в 1970-х годах — работа, которая позже была удостоена Нобелевской премии по химии.

Недавно исследователи, в том числе из лаборатории Чжао, попытались использовать проводящие полимеры для изготовления мягких, не содержащих металлов электродов для использования в биоэлектронных имплантатах и ​​других медицинских устройствах. Эти усилия были направлены на создание мягких, но прочных электропроводящих пленок и пластырей, в первую очередь путем смешивания частиц проводящих полимеров с гидрогелем — типом мягкого и губчатого полимера с высоким содержанием воды.

Исследователи надеялись, что комбинация проводящего полимера и гидрогеля позволит получить гибкий, биосовместимый и электропроводящий гель. Но материалы, сделанные на сегодняшний день, были либо слишком слабыми и хрупкими, либо обладали плохими электрическими характеристиками.

«В гелевых материалах электрические и механические свойства всегда противоречат друг другу», — говорит Юк. «Если вы улучшаете электрические свойства геля, вам приходится жертвовать механическими свойствами, и наоборот. Но на самом деле нам нужно и то, и другое: материал должен быть проводящим, а также эластичным и прочным. Это была настоящая проблема и причина, по которой люди не могли превратить проводящие полимеры в надежные устройства, полностью сделанные из геля».

Read more:  Обзор соперничества янки: Стражи выживают в массовке, а Астрос колеблется

Электрические спагетти

В своем новом исследовании Юк и его коллеги обнаружили, что им нужен новый рецепт для смешивания проводящих полимеров с гидрогелями таким образом, чтобы улучшить как электрические, так и механические свойства соответствующих ингредиентов.

«Раньше люди полагались на однородное случайное смешивание двух материалов», — говорит Юк.

Такие смеси образовывали гели, состоящие из беспорядочно диспергированных полимерных частиц. Группа поняла, что для сохранения электрической и механической прочности проводящего полимера и гидрогеля соответственно оба ингредиента должны быть смешаны таким образом, чтобы они слегка отталкивались — состояние, известное как фазовое разделение. В этом слегка разделенном состоянии каждый ингредиент может затем связать свои соответствующие полимеры с образованием длинных микроскопических нитей, а также смешиваться в целом.

«Представьте, что мы делаем электрические и механические спагетти», — предлагает Чжао. «Электрические спагетти — это проводящий полимер, который теперь может передавать электричество через материал, потому что он непрерывен. А механические спагетти — это гидрогель, который может передавать механические усилия и быть прочным и эластичным, потому что он также непрерывен».

Затем исследователи изменили рецепт приготовления спагеттированного геля в виде чернил, которые они пропустили через 3D-принтер и напечатали на пленках из чистого гидрогеля по образцу, подобному обычным металлическим электродам.

«Поскольку этот гель можно распечатать на 3D-принтере, мы можем настраивать геометрию и формы, что упрощает изготовление электрических интерфейсов для всех видов органов», — говорит первый автор Чжоу.

Затем исследователи имплантировали распечатанные желеобразные электроды в сердце, седалищный нерв и спинной мозг крыс. Команда проверяла электрические и механические характеристики электродов на животных в течение двух месяцев и обнаружила, что устройства оставались стабильными на протяжении всего времени, с небольшим воспалением или рубцеванием окружающих тканей. Электроды также могли передавать электрические импульсы от сердца на внешний монитор, а также доставлять небольшие импульсы к седалищному нерву и спинному мозгу, что, в свою очередь, стимулировало двигательную активность в связанных мышцах и конечностях.

Read more:  Сет Макфарлейн ушел из «Гриффинов» из-за забастовки голливудских писателей

В будущем Юк предполагает, что новый материал может быть немедленно применен для людей, выздоравливающих после операции на сердце.

«Этим пациентам требуется несколько недель электрической поддержки, чтобы избежать сердечного приступа как побочного эффекта операции», — говорит Юк. «Итак, врачи пришивают металлический электрод к поверхности сердца и стимулируют его в течение нескольких недель. Мы можем заменить эти металлические электроды нашим гелем, чтобы свести к минимуму осложнения и побочные эффекты, которые люди в настоящее время просто принимают».

Команда работает над продлением срока службы и производительности материала. Затем гель можно будет использовать в качестве мягкого электрического интерфейса между органами и долгосрочными имплантатами, включая кардиостимуляторы и стимуляторы глубокого мозга.

«Цель нашей группы — заменить стекло, керамику и металл внутри корпуса чем-то вроде Jell-O, чтобы он был более безопасным, но с лучшими характеристиками и мог прослужить долго», — говорит Чжао. «Это наша надежда».

Это исследование частично поддерживается Национальным институтом здравоохранения.

2023-06-15 15:00:00


1686849906
#Инженеры #Массачусетского #технологического #института #разработали #мягкий #электрод #без #содержания #металла #пригодный #для #печати #Новости #Массачусетского #технологического #института

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.