Гибкая, биоразлагаемая и беспроводная магнитоэлектрическая бумага для простой персонализации биоэлектрических имплантатов

Исследовательская группа под руководством профессоров Джиюна Кима, Чэнын Ча и Мён Хуна Сона из Департамента материаловедения и инженерии UNIST представила первую в мире гибкую, биоразлагаемую биоэлектронную бумагу с однородно распределённой функцией беспроводной стимуляции для простой персонализации биоэлектронных имплантатов.

Эти инновационные материалы созданы из наноразмерных функциональных материалов и могут быть дополнительно кастомизированы с помощью простых методов, таких как скручивание, резка, складывание внутрь и наружу, без потери функциональности.

Исследователи ожидают, что эти результаты с беспрецедентной гибкостью дизайна могут заложить основу для недорогой, простой и быстрой персонализации временных биоэлектронных имплантатов для малоинвазивной беспроводной стимуляционной терапии.

Работа опубликована в журнале Advanced Materials.

Имплантируемые устройства для электрической стимуляции важны для активации нейронов и регенерации тканей. Они необходимы для лечения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера.

Однако большинство современных биоэлектронных имплантатов требуют жёсткой и громоздкой электроники, механически несовместимой с нежной структурой нервов и других тканей, что затрудняет изменение их размера и формы в реальном времени.

Кроме того, необходимость проводных соединений, замены батарей и операций по удалению после лечения повышает риск инфицирования и усложняет клиническое лечение.

В этом исследовании команда успешно разработала гибкую, биомиметическую, лёгкую и биоразлагаемую биоэлектронную бумагу, которую можно разрезать и адаптировать после изготовления с сохранением функциональности. Это позволяет просто и быстро создавать биоэлектронные имплантаты различных размеров, форм и микро-/макроструктур.

Сначала они синтезировали магнитоэлектрические наночастицы (MENs), которые обеспечивают электрическую стимуляцию в ответ на внешнее магнитное поле. Синтезированные наночастицы имеют структуру "ядро@оболочка", которая объединяет магнитострикционное ядро (преобразует магнитное поле в локальную деформацию) и пьезоэлектрическую оболочку (преобразует деформацию в электрическое поле).

Интегрировав MENs в электроспряденные биоразлагаемые нановолокна (NFs), команда создала похожий на бумагу, биоразлагаемый, пористый беспроводной электростимулятор. Эксперименты in vitro продемонстрировали способность материала обеспечивать беспроводную электростимуляцию и одновременно стимулировать нейронную активность.

"Разработанный материал предлагает персонализированные варианты лечения, адаптированные к индивидуальным потребностям и физическим характеристикам, упрощая процессы лечения и повышая гибкость и универсальность клинических применений на основе электрической стимуляции", — говорит постдокторант и первый автор статьи Джун Кью Чо.

Созданный материал гибок и легок, как бумага. Он может плотно прилегать к сложным поверхностям, таким как изогнутая поверхность моделей человеческого мозга. Примечательно, что его можно разрезать на произвольные формы и размеры с сохранением функции.

Кроме того, он показал исключительную гибкость, достаточную для изготовления цилиндрического нервного канала для регенерации нервов с продемонстрированным радиусом изгиба 400 мкм.

По словам исследовательской группы, эта работа представляет многообещающую стратегию для разработки гибких и биоразлагаемых беспроводных биоэлектронных имплантатов, которые можно просто адаптировать к различным клиническим и физическим условиям.

"Комбинация наноразмерных магнитоэлектрических и биоразлагаемых волокнистых материалов предлагает преимущества перед традиционными системными беспроводными электронными устройствами, которые полагаются на сложную сборку громоздких компонентов, не поддающихся изменению после изготовления".

Профессор Ким заявил: "Биоэлектронную бумагу, в принципе, можно просто адаптировать к масштабам органов в несколько десятков сантиметров или миниатюризировать до субмикрометровых масштабов для малоинвазивных операций, поскольку её магнитоэлектрические свойства или микроструктура не зависят от масштаба.

В целом, наша биоэлектронная бумага с лёгкой и широкой применимостью может открыть новую схему для создания малоинвазивных и биоразлагаемых беспроводных биоэлектронных имплантатов".