Шёлковый чип показал чудеса совместимости с живым мозгом

Электроды, размещённые в мозге, могут поставлять медикам информацию о месте и времени возникновения эпилептического припадка, данные о работе нейронов в "неисправных" областях или могут быть использованы для управления электроникой силой мысли парализованного человека. Но для успеха гарантии здоровья пациента очень важен дизайн таких электродов.

При внедрении контактов в мозговую ткань возникает большая проблема: сложная геометрия поверхности коры не позволяет вживлять действительно широкие массивы датчиков. Либо такая имплантация несёт с собой слишком много повреждений, либо контакт получается слабый, а часть электродов так и вовсе не работает (участки в углублениях оказываются им недоступны).

Немало было попыток создать идеал имплантата, но, быть может, самый перспективный вариант появился только сейчас.

"Биосовместимость представляет собой серьёзную проблему для нового поколения медицинских имплантатов, – говорит Брайан Литт. – Мы хотели сделать ультратонкие устройства, сделанные из биосовместимых материалов, которые могут быть вставлены в мозг через маленькие отверстия в черепе" (фото с сайта upenn.edu).

Чтобы наконец-то совместить большую арену сбора надёжных сигналов с минимальным воздействием на мозг, нужно было придумать решётку контактов, по гибкости и "адаптивности" превосходящую всё ранее виденное.

Именно такое достижение продемонстрировали Брайан Литт (Brian Litt) из медицинской школы университета Пенсильвании, Джон Роджерс (John Rogers) из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign) и ряд их коллег из других университетов США, а также Китая.

Учёным не составляет труда произвести тонкие контакты и проводки, скажем, из золота. При толщине в считанные микрометры они будут достаточно мягкими, чтобы повторять рельеф коры. Но сначала их ведь необходимо как-то пристроить на место работы с высокой точностью, не смяв и не порвав тонкий металл. Логичный выход: нужна подложка, разлагаемая после того, как она выполнит свою задачу.

Такой строительной основой для нового типа имплантата стал субстрат из фиброина натурального шёлка, взятого из кокона шёлкопряда Bombyx mori. Материал этот достаточно упругий и прочный, чтобы устройством можно было манипулировать в ходе хирургической операции, но при этом достаточно мягкий, чтобы снизить риск травмы.

Поверх шёлковой подложки авторы новой технологии разместили тонкую сетку из полиимида (был использован материал каптон — kapton), она служит для электрической изоляции и для формирования правильного рисунка из проводящих дорожек и контактов.

Изготовление имплантата начинается с размещения каптона на обработанной стеклянной пластине (1). Сначала вырезаются дорожки, потом добавляются проводники, полимер снимается со стекла (2) и совмещается с шёлковой основой (3). С одной из сторон решётки, содержащей 30 контактов (4), присоединяется плоский набор проводков (5), идущих к чипу (6), занятому первичной обработкой сигналов (иллюстрации Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).

Самое интересное начинается после того, как решётку поместили в тот участок мозга, работу которого необходимо зафиксировать. При контакте с внутренней средой организма (а также при добавлении физиологического раствора) белок шёлковой основы начинает растворяться.

Остающийся свободным ажурный каркас из тонких проводков и контактов, сидящий на полимерной сетке, за счёт действия капиллярных сил начинает изгибаться, точно повторяя форму коры мозга в данном месте, словно термоусадочная упаковка. Теперь он плотно прилегает к ней, в то же время не повреждая.

Кстати, варьируя предварительную обработку шёлкового материала, исследователи добились регулировки времени рассасывания основы чипа в пределах от нескольких минут до часов. Эта регулировка должна пригодиться при выполнении сложных операций на мозге.

Здесь показаны размеры чипа, в том числе ширина проводящих дорожек и контактов. Толщина же их в разных экземплярах устройства составляла 2,5 и 7 микрометров. Белым цветом и стрелкой отмечена полимерная сетка, жёлтым – внедрённый в неё металл.
Внизу: серия опытов с обёртыванием новой схемы вокруг цилиндров разного диаметра (сверху вниз) при различной толщине сэндвича (слева направо). Красные и синие надписи отмечают, соответственно, случаи, когда изгиб подложки недостаточен и когда имплантат хорошо прилегает к цилиндру (иллюстрации Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).

Авторы работы изготовили несколько вариантов своего устройства, отличные по толщине шёлковой основы и ряду других параметров, а также сравнительный аналог без шёлка. Они тщательно замерили механические свойства образцов, проверив их сначала на моделях мозга, а затем и на лабораторных животных. (Подробности этих экспериментов раскрывает статья в Nature Materials.)

Учёные показали, что тонкий шёлковый вариант обеспечивает хороший контакт с мозгом, в то же время, исключая раздражение и рубцевание живой ткани.

Решающей проверкой стала имплантация таких сэндвичей в мозг взрослых кошек. Учёные поместили электроды в зрительную кору животных. Регистрируя ток от нервных клеток при визуальной стимуляции (кошкам показывали различные картинки), экспериментаторы доказали, что тонкая сетка, высаженная на коре при помощи шёлковой основы, даёт самый чёткий и подробный сигнал в сравнении с традиционными толстыми проволочными электродами.

"Шёлковый" чип, и его тест на модели мозга, а также на стеклянных трубках (фотографии Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials).

Важно, что на участке имплантации не наблюдалось никакого воспаления по меньшей мере за все четыре недели опыта. А значит, электроды нового дизайна, по всей видимости, можно будет оставлять имплантированными в голову людей-пациентов на месяцы, а может и на годы, что открывает совершенно новые перспективы для исследований в области неврологии и терапии.

Тут, правда, встаёт вопрос о подтягивании других компонентов имплантата до такого уровня гибкости и совместимости. Так, чтобы не тянуть множество проводников наружу, следует снабдить контактный чип микросхемой обработки и шифровки сигнала, а ещё лучше — радиопередатчиком.

Помимо кошек, авторы "шёлкового чипа" испытали технологию на мышах. На срезе (вверху слева) показан имплантат (B) толщиной 100 микрометров, размещённый между слоями эпидермиса (A) и гиподермиса (C). Срез сделан через 4 недели после внедрения плёнки. Никаких следов воспаления, следовательно, выбранный материал толерантен к живой ткани по меньшей мере на этот срок, – заключают авторы опыта.
Справа: решётка электродов при сильном увеличении. Внизу слева: схематический разрез чипа. Синий цвет – шёлк, зелёный – полимер, жёлтый – золото (фото Dae-Hyeong Kim et al./Nature Materials; C. Conway, J. Rogers/Beckman Institute).

Создание интегрированных систем такого типа требует построения по аналогичному принципу биосовместимых цифровых чипов, а также — источников питания. И в данном направлении Роджерс, Литт и их коллеги уже движутся.

Они построили опытный образец чипа на шёлке, содержащего кремниевые транзисторы и проверили его на лабораторных животных (правда ещё не на мозге). Аналогично учёные пробуют создать ультратонкие аккумуляторы, сводящие к минимуму воздействие на живую ткань.

Все эти компоненты ещё предстоит свести вместе и проверить их безопасность. Но в перспективе это может привести к рождению совершенно потрясающих устройств: гибких чипов-имплантатов, которые можно было бы внедрять в нужное место организма через минимальный надрез, через катетер. Внутри чипы бы расправлялись и занимали нужную позицию, а затем годами передавали информацию о работе клеток медикам.