Исследователи разработали новый класс ультратонких гибких биоэлектронных материалов, которые могут бесшовно взаимодействовать с живыми тканями. Они представили новое устройство под названием THIN (трансформируемая и незаметная наноплёнка из гидрогелеобразующего эластомера с ионно-электронными свойствами).
Основные характеристики THIN:
* толщина мембраны составляет всего 350 нанометров;
* при гидратации устройство превращается из сухой жёсткой плёнки в ультрамягкое, похожее на ткань, соединение;
* THIN самоприклеивается к влажной ткани без швов, клеёв или внешнего давления.
Исследование
Исследование, проведённое Центром нейровизуализации (CNIR) в рамках Института фундаментальных наук (IBS) совместно с Университетом Сунгкинкван (SKKU), опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
Проблема и решение
Биологические ткани, особенно жизненно важные органы, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, изогнутые и постоянно находятся в движении. Даже самые тонкие существующие биоэлектронные устройства могут ощущаться чужеродными, что приводит к плохой адгезии, воспалению и нестабильному получению сигналов.
Команда задалась вопросом: «Что, если бы устройство могло стать мягким, липким и адаптируемым к форме только при контакте с тканью — как по волшебству?» Этот вопрос привёл к разработке THIN — трансформируемой наноплёнки без подложки, которая самоприклеивается к влажной ткани.
Конструкция THIN
THIN состоит из двух слоёв:
* первый слой — гидрогель с тканевой адгезией (катхол-конъюгированный альгинат; Alg-CA), вдохновлённый свойствами мидий;
* второй слой — высокопроизводительный полупроводниковый эластомер P(g2T2-Se).
Вместе они образуют отдельный бислой толщиной всего 350 нм — почти в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Преимущества THIN
* При гидратации изгибная жёсткость устройства уменьшается более чем в миллион раз, что позволяет ему обволакивать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм.
* Гидрогелевый слой при высыхании становится жёстким (1,35 ГПа), что упрощает обработку и нанесение полупроводникового покрытия.
* При гидратации гидрогелевый слой резко смягчается (0,035 ГПа) и самопроизвольно скручивается, образуя естественную, мягкую адгезию к поверхности целевого органа.
Полимер на основе селенофена P(g2T2-Se) достигает рекордного показателя µC (произведение подвижности на ёмкость) — 1 034 Ф·см⁻¹·В⁻¹·с⁻¹, что примерно в 3,7 раза выше, чем у обычных эластичных материалов.
Эксперименты на животных
В экспериментах на животных THIN-OECT мгновенно приклеивались к сердцам, мышцам и мозговой коре грызунов, записывая эпикардиальные электрограммы (ЭГК), электромиограммы (ЭМГ) и электрокортикограммы (ЭКоГ) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырёх недель, не вызывая воспаления или повреждения тканей после длительной имплантации.
Профессор Сон Донхи, автор исследования, сказал: «Наша платформа THIN-OECT действует как нанокожа — она невидима для организма, механически незаметна и в то же время обладает высокой электрической мощностью».
Перспективы
Будущая работа будет сосредоточена на разработке многоканальных беспроводных массивов THIN для нейропротезирования с замкнутым контуром, интерфейсов «мозг-машина» и реабилитационной робототехники, а также на создании инъекционных или биоразлагаемых версий для минимально инвазивного клинического использования.