Биоразлагаемый сенсор контролирует показания в организме и потом исчезает

Инженеры UConn создали биоразлагаемый датчик, который может помочь врачам контролировать хронические заболевания легких, отек мозга и многие другие заболевания, прежде чем раствориться безвредно в теле пациента.

Маленький гибкий сенсор изготовлен из медицинских материалов, уже одобренных Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США для использования в хирургических швах, костных трансплантатах и ​​медицинских имплантатах. Он предназначен для замены существующих имплантируемых датчиков давления, которые имеют потенциально токсичные компоненты.

Эти датчики должны быть удалены после использования, подвергая пациентов дополнительной инвазивной процедуре, увеличивая время восстановления и увеличивая риск заражения.

Поскольку датчик UConn излучает небольшой электрический заряд при приложении давления к нему, устройство также может быть использовано для обеспечения электрической стимуляции для регенерации тканей, говорят исследователи. Другие потенциальные применения включают мониторинг пациентов с глаукомой, сердечными заболеваниями и раком мочевого пузыря.

«Мы очень рады, потому что это случилось первый раз, когда эти биосовместимые материалы были использованы таким образом», — говорит Тхань Дюк Нгуен,  доцент механической и биомедицинской инженерии в Институте регенеративной инженерии в UConn Health и Институт материаловедения в кампусе Сторрса.

«Медицинские датчики часто имплантируются непосредственно в мягкие ткани и органы», — отмечает Нгуен. «Извлечение их может нанести дополнительный ущерб. Мы знали, что если мы сможем разработать датчик, который не требует хирургического вмешательства, это будет действительно значительным достижением».

Прототипа сенсора, выполненный лабораторией, состоял из тонкой полимерной пленки длиной пятнадцать миллиметров, шириной пять миллиметров и толщиной 200 микрометров. Датчик был имплантирован в живот мыши, чтобы контролировать скорость дыхания. Он передавал достоверные показания сокращений в диафрагме мыши в течение четырех дней, прежде чем распался на отдельные органические компоненты.

Чтобы убедиться, что датчик был также безопасен с медицинской точки зрения, исследователи имплантировали его в заднюю часть мыши, а затем следили за ответом от иммунной системы. Результаты показали лишь незначительное воспаление после того, как датчик был вставлен, а затем окружающая ткань вернулась к нормальной после четырех недель.

Одной из самых больших проблем проекта было получение биоразлагаемого материала для получения электрического заряда, когда он подвергался давлению или сжатию,  — процесс, известный как пьезоэлектрический эффект. В обычном состоянии физически безопасный полимер, используемый для датчика — продукт, известный как Poly (L-лактид) или PLLA, является нейтральным и не излучает электрический заряд под давлением.

Эли Карри, аспирант лаборатории Нгуена и ведущий автор статьи, обеспечил ключевой прорыв проекта, когда он успешно преобразовал PLLA в пьезоэлектрический материал, тщательно нагревая его, растягивая и разрезая под прямым углом, так что его внутренний молекулярная структура была изменена, и она приняла пьезоэлектрические свойства. Затем Карри подключил датчик к электронным схемам, чтобы можно было проверить способности материала.

Датчик UConn состоит из двух слоев пьезоэлектрической пленки PLLA, зажатой между крошечными молибденовыми электродами, а затем инкапсулированных слоями полимолочной кислоты или PLA, биоразлагаемого продукта. Молибден используется для сердечно-сосудистых стентов и имплантатов.

Пьезоэлектрическая пленка PLLA излучает небольшой электрический заряд, когда к нему прикладывается даже самое маленькое давление. Эти небольшие электрические сигналы могут быть захвачены и переданы на другое устройство для проверки врачом.

В рамках своего эксперимента исследовательская группа проверила имплантированный датчик на усилитель сигнала, расположенный вне тела мыши. Затем усилитель передал электрические сигналы на осциллограф, где показания датчика можно было легко просмотреть.

Исследователи говорят, что показания датчика во время тестирования были равны показаниям существующих коммерческих устройств и столь же надежны. Новый датчик способен захватывать широкий спектр физиологических явлений.

Чувствительность датчика можно отрегулировать, изменив количество слоев используемой PLLA и другие факторы.

Сейчас группа исследует способы продления функционального срока службы устройства. Конечной целью лаборатории является разработка сенсорной системы, полностью биоразлагаемой в организме человека.

Исследователи говорят, что уже сейчас новый прибор можно использовать в его нынешнем виде, чтобы помочь пациентам избежать инвазивной операции удаления.

«Для этого датчика много приложений, — говорит Нгуен. «Скажем, датчик имплантирован в мозг. Мы можем использовать биоразлагаемые провода и помещать сопутствующую неразлагаемую электронику вдали от тонкой ткани головного мозга, например, под кожей за ухом, подобно кохлеарному имплантату. Просто требуется небольшая обработка для удаления электроники, не беспокоясь о том, что датчик находится в непосредственном контакте с мягкой мозговой тканью».