Ученые разработали технологию печати на 3D-биопринтере персонализированных нейропротезов
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета разработали технологию 3D-печати мягких нейропротезов NeuroPrint, которая в перспективе может помочь в буквальном смысле поставить человека на ноги после травмы спинного мозга. Новая разработка уже показала свою эффективность в исследованиях на млекопитающих и рыбках данио-рерио. Результаты опубликованы в престижном научном журнале Nature Biomedical Engineering.
По данным Всемирной организации здравоохранения, более миллиарда человек, то есть около 15 % населения Земли, имеют различные формы инвалидности. Кроме того, ежегодно до полумиллиона человек получают травмы спинного мозга, которые зачастую сопровождаются потерей чувствительности и возможности ходить, а также нарушениями работы внутренних органов.
Чтобы найти способы вернуть людям с инвалидностью здоровье, исследователи занимаются разработкой инвазивных нейропротезов, способных проводить электрический сигнал в спинной и головной мозг и восстанавливать утерянные функции.
Одна из главных проблем, с которыми сталкиваются врачи и ученые, это подстройка нейропротезов к окружающим нервным тканям того или иного человека. Несмотря на биосовместимые эластичные материалы, не всегда удается быстро адаптировать устройство под анатомические и возрастные особенности пациента.
Решение этой проблемы предложила команда ученых под руководством профессора Павла Мусиенко из Института трансляционной биомедицины СПбГУ и профессора Ивана Минева (Ivan Minev) из Университета Шеффилда (Department of Automatic Control and Systems Engineering, University of Sheffield). Они разработали новую технологию 3D-печати, которая позволяет достаточно быстро изготавливать индивидуальные нейроимпланты для восстановления и мониторинга двигательных функций и функций внутренних органов при поражениях нервной системы.
Такой персонализированный подход стал возможен благодаря технологиям гибридной 3D-печати NeuroPrint. Сначала в принтере создается геометрия будущего нейроимпланта из силикона, который также служит изолирующим материалом. Затем на основу наносятся микрочастицы платины или другого электропроводящего элемента импланта. После чего проводится активация поверхности при помощи холодной плазмы.
Причем количество и конфигурацию электродов в нейроимпланте можно менять, получая устройства для имплантации в ткани спинного мозга, головного мозга или мышц. Среднее время производства от создания проекта до получения прототипа может составлять всего 24 часа.
«Благодаря этой технологии процесс создания нейроимплантов может существенно ускориться и удешевиться, — рассказал заведующий лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ доктор медицинских наук, профессор Павел Мусиенко.
— Учитывая компактность оборудования и универсальность подхода, нельзя исключать, что в будущем изготавливать индивидуальные нейроимпланты для конкретного пациента можно будет прямо в больнице, в полной мере следуя принципам персонализированной медицины и максимально сокращая стоимость и сроки поставки».
Нейробиологи уже использовали технологию NeuroPrint для проведения исследований на различных модельных объектах — млекопитающих и рыбках данио-рерио. Им удалось продемонстрировать, что новые нейроимпланты имеют высокий уровень биоинтеграции и функциональной стабильности, а также не уступают своим аналогам в работе с восстановлением двигательных функций конечностей и контролем функций мочевого пузыря.
Кроме того, ученые смогли напечатать мягкие имплантаты, по форме и механическим характеристикам близкие к наружной соединительнотканной оболочке мозга. Это важное достижение, поскольку многие научные эксперименты невозможно провести из-за слишком жестких нейрональных имплантатов, не подходящих к мягким структурам нервной ткани, также это ограничивает их применение в клинической практике.
«Мы опробовали разработку в опытах на свободно двигающихся крысах для хронических отведений электрокортикальных сигналов коры головного мозга — это необходимый элемент нейрокомпьютерного интерфейса, — рассказал Павел Мусиенко. — А в опытах на парализованных животных электрическая стимуляция нейронных сетей эффективно восстанавливала локомоторную функцию. Таким образом, технология NeuroPrint открывает новые возможности как для фундаментальных исследований центральной нервной системы, так и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах».
В исследовании приняли участие ученые СПбГУ, Института физиологии имени И. П. Павлова РАН, Российского научного центра радиологии и хирургических технологий имени А. М. Гранова, Санкт-Петербургского научно-исследовательского института фтизиопульмонологии Минздрава РФ, Уральского федерального университета, Дрезденского технического университета (Германия) и Университета Шеффилда (Великобритания).
Для информации:
Исследование поддержано грантами Санкт-Петербургского государственного университета, Европейского исследовательского совета, Дрезденского технического университета, Российского фонда фундаментальных исследований, Немецкого научно-исследовательского общества (DFG) и Фондом Фольксвагена (Volkswagen Foundation).