Ученые из шведских университетов Линчепинга, Лунда и Гетеборга предложили решение одной из критических проблем на пути к массовому развитию киборгов. Сегодня для подключения любой электроники следует выполнять дорогостоящую и рискованную операцию по вживлению электродов в тело пользователя. Ученые предложили выращивать такие электроды прямо в теле.
«В течение нескольких десятилетий мы пытались создать электронику, имитирующую биологию. Теперь мы позволяем биологии создать нам электронику», — говорит профессор Магнус Берггрен из Лаборатории органической электроники LOE в Университете Линчепинга.
Связь электроники с биологической тканью важна для понимания сложных биологических функций, борьбы с болезнями мозга и разработки будущих интерфейсов между человеком и машиной (BCI). Однако обычная биоэлектроника, разработанная параллельно с полупроводниковой промышленностью, имеет фиксированный и статический дизайн, трудно и иногда невозможно сочетать с живыми биологическими сигнальными системами.
Токкопроводящий материал
Чтобы преодолеть разрыв между биологией и кремниевыми технологиями, исследователи разработали метод создания мягких электропроводящих материалов в живой ткани. Вводя гель, содержащий ферменты в качестве «сборных молекул», исследователи смогли вырастить электроды в тканях рыбок данио и медицинских пиявок.
«Контакт с веществами организма изменяет структуру геля и делает его электропроводным, чего он не вводит. В зависимости от ткани мы можем также регулировать состав геля, чтобы запустить электрический процесс», — говорит Ксенофон Стракосас, исследователь LOE и Лундского университета и один из главных авторов исследования.
Эндогенных молекул организма достаточно, чтобы запустить образование электродов. Нет необходимости в генетической модификации или внешних сигналах, таких как свет или электрическая энергия, что требовалось в предыдущих экспериментах. Шведским исследователям это удалось первым в мире.
Их исследование прокладывает путь к новой парадигме в биоэлектронике. Там, где раньше для запуска электронных процессов в организме требовались имплантированные физические объекты, в будущем будет достаточно инъекции вязкого геля.
Полностью интегрирован
В исследовании ученые также показывают, что метод может нацелить электронно-проводящий материал на определенные биологические субструктуры и таким образом создать соответствующие интерфейсы для нервной стимуляции. В долгосрочной перспективе возможно создание полностью интегрированных электронных схем в живых организмах.
В экспериментах, проведенных в Университете Лунда, команда успешно достигла формирования электродов в мозге, сердце и хвостовых плавниках данио и вокруг нервной ткани медицинских пиявок. Животные не пострадали от инъекционного геля и не почувствовали не влияние на них образованием электрода. Одной из многих проблем в этих испытаниях было принять во внимание иммунную систему животных.
«Внеся разумные изменения в химию, мы смогли разработать электроды, воспринятые тканью мозга и иммунной системой.
«Рыбка данио является прекрасной моделью для исследования органических электродов в мозге», — говорит профессор Роджер Олссон с медицинского факультета университета Лунда, который также имеет химическую лабораторию в Университете Гетеборга.
Много лет в создании
Инициатором исследования выступил профессор Роджер Олссон, прочитавший об электронной розе, разработанной исследователями из Университета Линчепинга в 2015 году.
Одной из проблем исследования и важной разницей между растениями и животными была разница в структуре клеток. В то время как растения имеют жесткие клеточные стенки, позволяющие образовывать электроды, клетки животных больше похожи на мягкую массу. Создание геля с достаточной структурой и правильной комбинацией веществ для формирования электродов в такой среде было проблемой, на решение которой ушло много лет.
«Наши результаты открывают совершенно новые способы мышления о биологии и электронике. У нас еще есть ряд проблем, которые нужно решить, но это исследование хорошая отправная точка для будущих исследований», — говорит Ханне Бисманс, докторант LOE и один из главных авторов.
Link?ping University
