Ультратонкая наномембрана THIN создаёт мягкий и бесшовный интерфейс с живой тканью
Исследователи разработали новый класс ультратонких гибких биоэлектронных материалов, которые могут бесшовно взаимодействовать с живыми тканями. Они представили новое устройство THIN (transformable and imperceptible hydrogel-elastomer ionic-electronic nanomembrane). THIN — это мембрана толщиной всего 350 нанометров, которая при гидратации превращается из сухой жёсткой плёнки в сверхмягкий, подобный ткани интерфейс.
Исследование, проведённое Центром нейронаучных исследований с визуализацией (CNIR) в Институте фундаментальных наук (IBS) совместно с Университетом Сонгюнгван (SKKU), опубликовано в Nature Nanotechnology.
Проблемы существующей биоэлектроники
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 восприниматься как инородные, что приводит к плохой адгезии, воспалению и нестабильному сбору сигналов. Хотя были разработаны ультратонкие гибкие устройства, большинству по-прежнему требуются адгезивы, жёсткая упаковка или механические опоры, особенно для динамичных тканей, таких как сердце или мозг.
Эта задача вдохновила команду задать простой, но убедительный вопрос: «Что, если устройство могло бы становиться мягким, липким и адаптирующимся по форме только тогда, когда касается ткани — как по волшебству?»
Этот вопрос привёл к разработке THIN — трансформируемой, не требующей подложки наномембраны, которая самоприлипает к влажной ткани без швов, адгезивов или внешнего давления. Используя набухание, вызванное гидратацией, THIN самоприлипает даже на микроскопически складчатых или сильно изогнутых поверхностях, что позволяет ему поддерживать длительный контакт с тканью.
Наномембрана специально спроектирована так, чтобы быть «мягкой во влажном состоянии» и «прочной в сухом». THIN состоит из двух слоёв: первый — вдохновлённый мидиями тканеадгезивный гидрогель (алгинат, конъюгированный с катехолом; Alg-CA), второй — высокопроизводительный полупроводниковый эластомер P(g2T2-Se).
Вместе они образуют автономный билайер толщиной всего 350 нм — почти в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Жёсткость на изгиб устройства при гидратации снижается более чем в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁵ ГПа·мкм⁴), что позволяет ему оборачиваться вокруг поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мкм — настолько мягким, что он становится механически неощутимым для ткани.
В сухом состоянии слой гидрогеля жёсткий (1,35 ГПа), что обеспечивает лёгкую обработку и прямое полупроводниковое покрытие. При гидратации он резко размягчается (0,035 ГПа) и самопроизвольно скручивается, образуя естественное, мягкое сцепление с поверхностью целевого органа.
Полимер на основе селенофена P(g2T2-Se) достигает рекордного значения µC* (произведение подвижности на ёмкость) 1034 Ф·см⁻¹·В⁻¹·с⁻¹, что примерно в 3,7 раза выше, чем у обычных растяжимых материалов. Эта высокая ионно-электронная связь позволяет органическим электрохимическим транзисторам (OECT), созданным на основе THIN, усиливать биологические сигналы с замечательной стабильностью даже во время растяжения или движения.
Тестирование на животных и будущее применение
В экспериментах на животных THIN-OECT мгновенно прилипали к сердцам, мышцам и коре головного мозга грызунов, записывая эпикардиальные электрограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырёх недель, не показывая признаков воспаления или повреждения тканей после долгосрочной имплантации.
«Наша платформа THIN-OECT действует как нанокожа — она невидима для тела, механически неощутима и при этом электрически мощна», — сказал профессор Сон Донхи, автор-корреспондент исследования. «Это открывает новые возможности для хронических интерфейсов мозг-компьютер, кардиомониторинга и мягких нейропротезов».
В отличие от обычных биоэлектронных систем, которые зависят от эластомерных подложек или адгезивов, THIN не требует подложки, является автономным и работает в наномасштабе. Его механическая неощутимость и автономная адгезия делают его подходящим для стабильного сбора сигналов от динамичных тканей без помех или ощущения инородного тела.
Поскольку THIN усиливает электрофизиологические сигналы непосредственно в месте контакта, он устраняет необходимость в громоздких внешних усилителях, прокладывая путь для устройств следующего поколения: имплантируемых, носимых и инъектируемых медицинских приборов.
«Сочетая трансформируемость, самоприлипание и рекордно высокую ионно-электронную производительность, THIN устанавливает новый стандарт для биоэлектроники, которая по-настоящему принадлежит внутри тела», — добавил профессор Сон.
Будущая работа будет сосредоточена на многоканальных массивах THIN с возможностью беспроводной связи для замкнутых нейропротезов, интерфейсов мозг-компьютер и реабилитационной робототехники, а также на инъектируемых или биорезорбируемых версиях для минимально инвазивного клинического использования.