Новые металл-свободные гидрогель-электроды гибко подстраиваются под формы тела, избегая повреждения органов

Обычные металлические электродные массивы, используемые в медицине, жесткие, в то время как ткани тела мягкие и податливые. Это несоответствие ограничивает их применение, требует высокого тока для "прыжка" через зазор и повышает риск повреждения органов.

Ученые из Гарвардского института Висса и Школы инженерии и прикладных наук создали гибкие, металл-свободные электродные массивы на основе гидрогеля, которые плотно облегают сложные формы тела — от извилин мозга до нервов сердца.

"Наши гидрогель-электроды прекрасно принимают форму любой ткани, на которую их помещают, и открывают путь к легкому созданию менее инвазивных, персонализированных медицинских устройств", — сказала первый автор Кристина Трингидес.

Медицинское устройство, вдохновленное телом человека

Живые ткани, особенно мозг и спинной мозг, вязкоупруги (viscoelastic): они возвращаются в форму после кратковременного давления, но деформируются навсегда при постоянном воздействии.

Команда использовала альгинатные гидрогели, которые также обладают вязкоупругостью, и настроила их свойства, чтобы соответствовать механике тканей мозга и сердца. Эксперименты на искусственном "мозге" из агарозы показали, что гидрогель имеет вдвое больший контакт с поверхностью по сравнению с пластиком и эластичным материалом, проникает в глубокие борозды и сохраняет форму после двух недель ношения.

Проводящий путь

Вместо металла команда создала проводящий элемент из комбинации хлопьев графена и углеродных нанотрубок. Их длинная и тонкая форма (как "спагетти") позволяет им пересекаться, образуя пористые проводящие пути внутри гидрогеля.

Эти гибкие электроды можно было сгибать более чем на 180 градусов и завязывать в узлы. Их поместили между слоями гидрогеля, а изолировали самовосстанавливающимся силиконовым полимером PDMS. Полученное устройство можно было растянуть в 10 раз без разрыва. Клетки мозга (астроциты и нейроны), выращенные на нем, не повреждались.

Безопасное применение в хирургии

Устройство протестировали in vivo:

• На мышином сердце: оставалось на месте в течение десятков тысяч сокращений.
• На мозге и сердце крысы, а также на сердце коровы: не повреждало ткани и не соскальзывало даже при изгибе >180°. Коммерческий электродный массив терял контакт при изгибе >90°.
• На задней лапе мыши: разные электроды стимулировали сокращение разных мышц.
• На сердце мыши и мозге крысы во время операций: устройство успешно записывало электрическую активность, будучи согнутым для доступа в труднодоступные области, и не наносило травм животным.

"Вязкоупругость этого устройства задает новое направление в медицинских устройствах, которые обычно проектируются как чисто упругие. Принимая противоположный подход, мы можем гораздо теснее взаимодействовать с тканями тела", — сказал соавтор Дэйв Муни.

Команда продолжает разработку, валидируя устройства на более крупных животных, с конечной целью применения при удалении опухолей мозга и картировании эпилепсии. Технология может позволить проводить электрическую запись и стимуляцию в областях тела, недоступных для коммерческих устройств.