Pretražujte slike za „elektronske implantate“ i nacrtaćete širok asortiman uređaja, od tradicionalnih pejsmejkera i kohlearnih implantata do futurističkijih mikročipova mozga i retine koji imaju za cilj poboljšanje vida, lečenje depresije i vraćanje mobilnosti.
Neki implantati su tvrdi i glomazni, dok su drugi fleksibilni i tanki. Ali bez obzira na njihov oblik i funkciju, skoro svi implantati imaju elektrode — male provodne elemente koji se vezuju direktno za ciljno tkivo da bi električno stimulisali mišiće i nerve.
Elektrode za implantaciju su uglavnom napravljene od krutih metala koji su po prirodi električno provodljivi. Ali tokom vremena, metali mogu pogoršati tkiva, uzrokujući ožiljke i upalu, što zauzvrat može pogoršati performanse implantata.
Sada su inženjeri MIT-a razvili materijal bez metala, sličan jell-O-u, koji je mekan i čvrst kao biološko tkivo i može da provodi električnu energiju slično konvencionalnim metalima. Materijal se može napraviti u mastilo za štampanje, koje su istraživači oblikovali u fleksibilne, gumene elektrode. Novi materijal, koji je vrsta provodljivog polimer hidrogela visokih performansi, može jednog dana zameniti metale kao funkcionalne elektrode zasnovane na gelu, sa izgledom i osećajem biološkog tkiva.
„Ovaj materijal funkcioniše isto kao metalne elektrode, ali je napravljen od gelova koji su slični našim telima, i sa sličnim sadržajem vode“, kaže dr Hjunvu Juk, suosnivač SanaHeal-a, pokretača medicinskog uređaja. „To je kao veštačko tkivo ili nerv.“
„Verujemo da po prvi put imamo čvrstu, robusnu elektrodu nalik želeu koja potencijalno može da zameni metal da stimuliše nerve i vezu sa srcem, mozgom i drugim organima u telu“, dodaje Ksuanhe Zhao, profesor mašinstva i građevinarstva i inženjerstva životne sredine na MIT-u.
Zhao, Iuk i drugi na MIT-u i drugde izveštavaju o svojim rezultatima u Nature Materials. Koautori studije uključuju prvog autora i bivšeg postdoktora MIT-a Tao Zhoua, koji je sada docent na Penn State univerzitetu, i kolege na Univerzitetu Jiangki Science and Technologi Normal i Univerzitetu Šangaj Jiao Tong.
Velika većina polimera je po prirodi izolaciona, što znači da struja ne prolazi lako kroz njih. Ali postoji mala i posebna klasa polimera koji u stvari mogu da prođu elektrone kroz svoju masu. Neki provodljivi polimeri su prvi put pokazali visoku električnu provodljivost 1970-ih – rad koji je kasnije dobio Nobelovu nagradu za hemiju.
Nedavno su istraživači, uključujući i one u Zhaoovoj laboratoriji, pokušali da koriste provodne polimere za proizvodnju mekih elektroda bez metala za upotrebu u bioelektronskim implantatima i drugim medicinskim uređajima. Ovi napori su imali za cilj stvaranje mekih, ali čvrstih, električno provodljivih filmova i zakrpa, prvenstveno mešanjem čestica provodljivih polimera sa hidrogelom — vrstom mekog i sunđerastog polimera bogatog vodom.
Istraživači su se nadali da će kombinacija provodnog polimera i hidrogela dati fleksibilan, biokompatibilan i električno provodljiv gel. Ali materijali napravljeni do danas bili su ili suviše slabi i lomljivi, ili su pokazali loše električne performanse.
„U gel materijalima, električna i mehanička svojstva se uvek bore jedna protiv druge“, kaže Juk. „Ako poboljšate električna svojstva gela, morate žrtvovati mehanička svojstva, i obrnuto. Ali u stvarnosti, potrebno nam je oboje: materijal treba da bude provodljiv, a takođe rastezljiv i robustan. To je bio pravi izazov i razlog zašto ljudi nije mogao da napravi provodne polimere u pouzdane uređaje u potpunosti napravljene od gela.“
U svojoj novoj studiji, Juk i njegove kolege su otkrili da im je potreban novi recept za mešanje provodljivih polimera sa hidrogelovima na način koji poboljšava i električna i mehanička svojstva odgovarajućih sastojaka.
„Ljudi su se ranije oslanjali na homogeno, nasumično mešanje dva materijala“, kaže Juk.
Takve mešavine su proizvele gelove napravljene od nasumično dispergovanih polimernih čestica. Grupa je shvatila da da bi se očuvala električna i mehanička čvrstoća provodnog polimera i hidrogela, oba sastojka treba mešati na način da se malo odbijaju – stanje poznato kao razdvajanje faza. U ovom blago odvojenom stanju, svaki sastojak bi tada mogao da poveže svoje polimere da formira dugačke, mikroskopske niti, dok se takođe meša kao celina.
„Zamislite da pravimo električne i mehaničke špagete“, nudi Zhao. „Električni špageti su provodljivi polimer, koji sada može da prenosi električnu energiju kroz materijal jer je neprekidan. A mehanički špageti su hidrogel, koji može da prenosi mehaničke sile i bude čvrst i rastegljiv jer je takođe kontinuiran.“
Istraživači su zatim prilagodili recept za kuvanje špagetizovanog gela u mastilo, koje su uneli preko 3D štampača i odštampali na filmove čistog hidrogela, po uzorcima sličnim konvencionalnim metalnim elektrodama.
„Pošto se ovaj gel može 3D štampati, možemo prilagoditi geometrije i oblike, što olakšava proizvodnju električnih interfejsa za sve vrste organa“, kaže prvi autor Džou.
Istraživači su zatim implantirali štampane elektrode nalik na žele u srce, išijatični nerv i kičmenu moždinu pacova. Tim je testirao električne i mehaničke performanse elektroda na životinjama do dva meseca i otkrio da su uređaji ostali stabilni sve vreme, sa malo upale ili ožiljaka na okolnim tkivima. Elektrode su takođe mogle da prenose električne impulse od srca do spoljnog monitora, kao i da isporučuju male impulse do išijadičnog nerva i kičmene moždine, što je zauzvrat stimulisalo motoričku aktivnost u povezanim mišićima i udovima.
U budućnosti, Juk predviđa da bi trenutna primena za novi materijal mogla biti za ljude koji se oporavljaju od operacije srca. „Ovim pacijentima je potrebno nekoliko nedelja električne podrške da bi izbegli srčani udar kao nuspojavu operacije“, kaže Juk. „Dakle, doktori zašivaju metalnu elektrodu na površini srca i stimulišu je nedeljama. Te metalne elektrode možemo zameniti našim gelom da bismo minimizirali komplikacije i neželjene efekte koje ljudi trenutno jednostavno prihvataju.“
Tim radi na produžavanju životnog veka i performansi materijala. Zatim, gel bi se mogao koristiti kao meki električni interfejs između organa i dugotrajnih implantata, uključujući pejsmejkere i stimulatore dubokog mozga.
„Cilj naše grupe je da zameni staklo, keramiku i metal unutar tela, nečim poput Jell-O, tako da je benigniji, ali bolje performanse i može da traje dugo“, kaže Zhao. „To je naša nada.“
