Новая растягивающаяся биоэлектроника продвигает носимые и имплантируемые устройства для мониторинга здоровья

Носимые и имплантируемые биосенсоры могут произвести революцию в здравоохранении, диагностируя, контролируя и даже леча широкий спектр заболеваний. Недавние инновации в лаборатории Вэй Гао, профессора медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте и исследователя Медицинского научно-исследовательского института наследия, продвигают эту область вперед за счет создания мягкой, растягивающейся, интегрированной в ткани биоэлектроники для непрерывного зондирования и адаптивной терапии. Два новых исследования подчеркивают взаимодополняющие преимущества в материалах и технологиях при решении различных задач и приложений.

Датчики, которые растягиваются

Чтобы обеспечить медицинские датчики, которые могут гибко перемещаться вместе с телом и даже внутренними органами, такими как бьющееся сердце, ученые лаборатории Гао разработали биоэлектронный материал, который сохраняет проводимость и прочную связь с кожей или тканями при их деформации. Сверхэластичный биосовместимый интерфейс отвечает ключевой потребности следующего поколения носимых и имплантируемых датчиков.

Новый материал, удачно названный растягивающимся интерфейсом для упругого электрохимического зондирования (SIRES), может растягиваться на 300 процентов, не теряя при этом своей способности передавать электрические сигналы высокого качества. Гао и его коллеги описывают SIRES в статье, опубликованной в журнале Science от 28 мая.

Когда исследователи прикрепляют химический датчик к внутреннему органу, они пытаются измерить биомолекулы, которые сигнализируют о состоянии здоровья. Но из-за материалов, из которых созданы эти датчики, зачастую при движении органа датчик либо выходит из строя, либо становится ненадежным в своей работе. Чтобы решить эту проблему, команда Гао под руководством Ядуна Сюя, бывшего постдокторанта из лаборатории Гао, и аспирантов Калифорнийского технологического института Сяотянь Ма (MS '24) и Кексинь Фань разработали трехкомпонентный материал, в котором используется полиуретан, эластомер (резиноподобное твердое вещество), который также является биосовместимым.

Во-первых, вместо использования стандартного проводящего провода внутри устройства, исследователи обратились к жидкому металлу. в качестве дирижера. Жидкий металл может растягиваться, сохраняя при этом такое же электрическое сопротивление. Таким образом, смешав жидкий металл с полиуретаном, ученые создали устойчивый к деформации проводник.

Во-вторых, они создали стабильный гибкий электрод для измерения. Обычно электроды биосенсоров изготавливаются из металла, например золота, или из углеродных нанотрубок, но они могут треснуть даже при небольшом растяжении. Нанотрубки превосходно обнаруживают электрические изменения, когда молекула-мишень связывается с их поверхностью. Команда Гао встроила углеродные нанотрубки в полиуретан, придав нанотрубкам способность растягиваться, оставаясь при этом связанными между собой. Когда совокупность нанотрубок удлиняется, некоторые связи между отдельными нанотрубками разрываются, что приводит к снижению электропроводности. Но поскольку общая площадь поверхности электрода также увеличивается при растяжении, на датчике может обмениваться больше молекул, и это противодействует уменьшению.

«Если вы правильно настроите уровень углеродных нанотрубок, два эффекта уравновесятся, и вы получите стабильный отклик», — говорит Гао, который также является стипендиатом Рональда и Джоанн Уилленс. «Таким образом, даже в случае сильно деформируемого органа, например бьющегося сердца, характеристики вашего сенсора не изменятся».

Третий компонент SIRES — это растягивающееся функциональное покрытие из полиуретана, которое позволяет исследователям встраивать внутрь любые ферменты, необходимые для химического зондирования.

Проводник, электрод и функциональная пленка изготовлены из полиуретана, в который встроены разные элементы. Это означает, что все это очень растягивается, а также биосовместимо». 

Вэй Гао, профессор медицинской инженерии, Калифорнийский технологический институт 

Команда протестировала SIRES с датчиками пота группы, показав, что даже при энергичных упражнениях датчики сохраняют стабильную работу. Они также успешно протестировали материал в имплантируемых датчиках на моделях животных на таких органах, как мочевой пузырь, сердце, желудок и кишечник, которые значительно деформируются при нормальном функционировании.

Платформа, которая палочки

Еще одна проблема при создании надежных имплантируемых датчиков заключается в том, что они должны оставаться прикрепленными к гладким поверхностям, и, будем надеяться, в течение длительного периода времени. В статье Nature Materials, опубликованной 10 июня, Гао и сотрудники его лаборатории сообщили о новом устройстве, которое не только прикрепляется к органам и другим внутренним структурам, но также может оказывать терапевтическое воздействие по мере необходимости.

"Что интересно в этой работе, так это то, что мы разработали мягкую растягивающуюся имплантируемую платформу. которое может прочно прикрепляться к влажным тканям, оставаясь стабильным даже во время движения тела", - говорит Цзяхонг Ли (доктор философии '26), научный сотрудник лаборатории Гао и первый автор статьи. "Устройство может одновременно отслеживать физические и химические сигналы и осуществлять электрическую стимуляцию, что может помочь обеспечить более бесшовные и долговечные интерфейсы между электроникой и телом.