Ученые создали стабильный и гибкий композит для биоэлектронных протезов
Группа исследователей из Санкт-Петербургского университета, университета «Сириус», Института физиологии имени И. П. Павлова РАН и других вузов России разработала новые нейронные имплантаты. Они не содержат металлов в составе, растяжимы и обладают высоким уровнем биосовместимости. Ученые уже доказали, что они эффективны для мониторинга и стимуляции активности нейронов в спинном мозге млекопитающих.
Сегодня нейропротезы в клинической практике получают все большее распространение. Например, их используют для восстановления сетчатки, слуховых функций, сенсомоторной активности и произвольного контроля движений.
Подробности работы опубликованы в журнале Composite Part B: Engineering.
Важным аспектом, которым занимаются ученые в области нейропротезирования, является разработка электродов для протезов с оптимальными механическими, электрическими и биологическими свойствами. Перспективными для решения этой задачи считаются углеродные наноматериалы (в том числе углеродные нанотрубки (УНТ), нановолокна (УНВ) и графен), обладающие нужными ключевыми характеристиками.
По словам руководителя проекта Павла Евгеньевича Мусиенко, доктора медицинских наук, профессора, заведующего лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ, из-за сложности интеграции УНТ и УНВ в микросхемы гибкие электроды на основе углеродных наноматериалов пока не получили широкого распространения. Но недавно ученым СПбГУ вместе с исследователями из университета «Сириус», Института физиологии имени И. П. Павлова РАН и других российских вузов удалось разработать особую схему производства мягких нейронных имплантатов с электродами на основе углеродных нанотрубок. Предложенная технология относительно экономична и проста, позволяет получать материал с высоким уровнем гибкости, биосовместимости и функциональности.
Ранее ученые под руководством профессора Павла Мусиенко и профессора Ивана Минева из Университета Шеффилда разработали способ 3D-печати персонализированных нейропротезов. Предполагается, что благодаря ей можно будет изготавливать имплантаты индивидуально для каждого пациента. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.
Ученые создали уникальный эластический электропроводящий композит на основе силикона и углеродных нанотрубок, без применения металлов. Они подробно описали технологию его приготовления и формовки с целью производства мягких спинальных матриц, которые успешно апробированы для нейростимуляции и мониторинга нейрональной активности.
В работе ученые использовали оборудование ресурсного центра «Инновационные технологии композитных наноматериалов» Научного парка СПбГУ.
Как отметил Павел Мусиенко, в разработанном композитном материале нанотрубки находятся в «связанном» состоянии, поэтому не вызывают нежелательных побочных реакций в виде повреждения тканей или аутоиммунной реакции организма.
Разработанный учеными нейропротез успешно прошел проверку на эффективность и безопасность. Так, в результате ряда экспериментов ученые выявили, что электрическая стимуляция спинного мозга с его использованием эффективно активировала двигательные способности у парализованных лабораторных животных. Также нейропротез успешно показал себя в мониторинге активности спинномозговых нейрональных путей и продемонстрировал возможность контролировать работу спинальных нейронов.
Ростех создает для космического корабля «Орел» ультралегкие композитные конструкции
«Мы также протестировали нейропротезы на основе УНТ в особенно сложных биологических условиях, в которых механические свойства материала должны быть максимально приближены к таковым у нервной ткани. Обычные металлические электроды невозможно использовать в подобных условиях. Это может привести к механическому повреждению нервной ткани, кровотечению и нарушению физиологических функций, — подчеркнул Павел Мусиенко. — Благодаря мягкости и высокой эластичности нашего имплантата удалось разместить его в непосредственной близости от спинномозговых нейронов под твердой мозговой оболочкой. Это открывает новые возможности более селективной нейромодуляции и регистрации спинальных потенциалов». Но, хотя испытания на биосовместимость показали хорошие результаты, необходимы дальнейшие исследования с более длительным применением нейроимплантатов.
В работе также приняли участие исследователи из Научного центра неврологии (Москва), Тамбовского государственного технического университета, Федерального центра нейрохирургии (Тюмень), Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова, Российского университета дружбы народов (Москва), Научно-исследовательского института медицинской приматологии (Сочи), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва), Московского физико-технического института.
По словам ученого, представленный метод получения нейронных протезов с электродами на основе УНТ прост, экономичен и основан на традиционных технологиях изготовления. Это, а также полученные результаты исследования делают его перспективным для массового производства имплантируемой электроники.