Носимые или имплантируемые устройства для мониторинга биологических показателей, таких как частота сердечных сокращений, полезны, но обычно они изготавливаются из металлов, кремния, пластика и стекла, и их установка требует хирургического вмешательства.
Команда исследователей из Инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе разрабатывает биоэлектронные гидрогели, которые однажды смогут заменить существующие устройства и будут гораздо более гибкими.
Александра Рутц, доцент кафедры биомедицинской инженерии, и Анна Гостенкорс, докторант пятого курса в лаборатории Рутц, создали новые гранулированные гидрогели. Они состоят из микрочастиц, которые можно вводить в организм, распределять по тканям или использовать для инкапсуляции клеток и тканей, а также для мониторинга и стимуляции биологической активности. Результаты их исследования были опубликованы 8 октября в журнале Small.
Микрочастицы
Микрочастицы представляют собой сферические гидрогели, изготовленные из проводящего полимера, известного как PEDOT:PSS. В плотно упакованном состоянии они похожи на влажный песок или пасту: они держатся как твёрдое тело с микропорами, но их также можно напечатать на 3D-принтере или распределить по разным формам, сохраняя при этом свою структуру, или перераспределить на отдельные микрочастицы при помещении в жидкость.
«Гранулированные гидрогели ещё не получили широкого изучения для этих целей, но мы обнаружили, что этот материал имеет потенциал для инъекции иглой в нужное место», — сказала Рутц. «Мы пытаемся позаимствовать методы тканевой инженерии, чтобы эти проводящие материалы имитировали свойства организма, одновременно используя функции этих материалов для более сложных способов их применения».
Пористость
«Поскольку соединения частиц не являются постоянными, они могут перемещаться относительно друг друга, и материал будет течь, как жидкость, при приложении определённого количества силы, которое позволяет их вводить или экструдировать», — сказала Гостенкорс. «Но когда вы убираете эту силу, они восстанавливают эти соединения и снова становятся более похожими на пастообразное твёрдое вещество, так что это очень адаптируемый материал».
Отдельные частицы можно проталкивать через сопло 3D-принтера, чтобы формировать нити, сказала Гостенкорс. Она создала их с помощью водно-масляной эмульсии, похожей на приготовление заправки для салата из масла и уксуса. После нагревания масла она добавила полимер. При перемешивании полимер разбивался на крошечные капельки в масле, а повышенная температура сшивала полимер, создавая стабильные гидрогели.
Эксперимент с саранчой
В рамках своего исследования они провели эксперимент с саранчой в лаборатории Барани Рамана, профессора Денниса и Барбары Кесслер в Инженерном колледже Маккелви и содиректора Центра кибернетических и биороботических исследований Вашингтонского университета. Гостенкорс поместила небольшие скопления частиц на кончики усиков саранчи, которые имеют обонятельные рецепторные нейроны. Частицы позволили им измерить локальные полевые потенциалы, соответствующие восприятию запаха саранчой.
«При дальнейшей разработке мы предполагаем, что эти проводящие гранулированные гидрогели могут быть использованы в качестве изготовленных на заказ электродов для 3D-печати, которые могут соответствовать топографически разнообразным поверхностям или полностью инкапсулировать биологические компоненты, каркасы для тканевой инженерии или инъекционные методы лечения», — сказала Рутц.
Рутц и Гостенкорс подали заявку на патент США, который охватывает изготовление и применение микрочастиц из проводящего полимера и проводящих гранулированных гидрогелей. Они работают с Управлением по технологиям Вашингтонского университета, которое помогает защищать интеллектуальную собственность и продвигать усилия по коммерциализации.
Предоставлено Вашингтонским университетом в Сент-Луисе.