Российские ученые разработали и запатентовали материал для мягких электродов, способных растягиваться почти на 50% без потери электропроводности. В отличие от жестких аналогов, новая технология позволит снизить риск повреждения нервных волокон и в перспективе продлить срок службы имплантов, помогающих восстанавливать подвижность и чувствительность после тяжелых травм. Гибкость и малая толщина разработки потенциально снижают механическое раздражение тканей при движениях мозга, рассказали эксперты. При этом специалисты подчеркнули, что такие электроды должны пройти полный цикл необходимых испытаний.

Новый материал для гибких нейроимплантов

Ученые направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус» запатентовали новый материал для производства мягких электродов. Их можно будет использовать в имплантах головного и спинного мозга, предназначенных для восстановления подвижности и чувствительности у людей после травм. В отличие от жестких электродов, которые могут повреждать нервную ткань и со временем нарушать работу имплантов, новый материал способен растягиваться почти на 50%, не теряя электропроводности. При этом он не травмирует ткани мозга.

Травмы головного и спинного мозга, а также нейродегенеративные заболевания нередко приводят к тяжелой инвалидизации, рассказали ученые. Человек теряет способность двигаться, чувствовать и запоминать новое. Один из самых перспективных подходов к восстановлению нарушенных функций — это нейропротезы — системы, обеспечивающие обмен данными между нервной системой и электронными устройствами. Проблема применения таких систем на практике заключается в том, что со временем качество контакта электрода с нервной тканью теряется. Дело в том, что мозг — очень мягкая среда, и жесткие электроды при взаимодействии с ним легко повреждают нервную ткань. В ответ на это организм запускает локальное восстановление, контакт электрода с нервной тканью нарушается, и нейропротез теряет способность выполнять свои функции.

Решением проблемы могут стать мягкие, эластичные электродные системы, которые по своим механическим свойствам близки к биологическим тканям. Ученые разработали и запатентовали материал, обладающий данным свойством, — электропроводящее двухслойное нанокомпозитное покрытие на гибкой подложке.

— У обычных жестких электродов формирование глиального рубца вокруг импланта занимает примерно один–три месяца и приводит к снижению качества снимаемого сигнала. Важно понимать, что данная технология еще требует оптимизации и проведения дальнейших биологических испытаний, но уменьшение жесткости электрода может увеличить срок активной работы нейроимплантов в перспективе, — пояснил «Известиям» соавтор разработки, старший научный сотрудник направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус» Сергей Кравченко.

Материал представляет собой гибкую основу из полидиметилсилоксана (ПДМС) — силиконового полимера, который благодаря биосовместимости, мягкости и эластичности давно применяется в имплантируемых медицинских изделиях. Сам по себе силикон не проводит электрический ток, поэтому его поверхность покрывают проводящими частицами. В данном случае ученые использовали графен: он обладает высокой электропроводностью и при этом безопасен для организма.

Главная технологическая особенность разработки — способ нанесения графена. Обычно для этого требуется дорогостоящее оборудование или агрессивные химикаты. Инженеры «Сириуса» предложили альтернативный подход: они наносят графен, разведенный в гексане, на частично отвержденный силикон. Растворитель слегка размягчает его верхний слой, благодаря чему частицы графена погружаются в полимер и оказываются под тонкой пленкой силикона. После испарения растворителя графен прочно закрепляется на поверхности электродной системы.

Такое крепление — это один из главных плюсов разработки, отметили специалисты. Тесты показали, что графен не отслаивается сам по себе и остается на месте, даже если материал согнуть или растянуть. Он покрывает почти всю поверхность силикона, а проводящий слой получается толщиной около 25 микрометров — это тоньше человеческого волоса.

Массовое внедрение современных нейрочипов

Головной и спинной мозг имеют сложную организацию и отличаются высокой чувствительностью к механическим воздействиям. Жесткий имплант и мягкая нервная ткань по-разному реагируют на движения тела и естественные микросмещения тканей, прокомментировал разработку доцент кафедры неврологии, нейрохирургии и медицинской генетики имени академика Л.О. Бадаляна Института нейронаук и нейротехнологий (ИНН) Пироговского Университета Артем Толмачев. В результате при длительном контакте могут возникать повторные микроповреждения, воспалительная реакция и формирование глиального рубца вокруг электрода. Это способно ухудшать передачу электрических сигналов и снижать эффективность работы устройства.

— Поэтому создание электродов, механические свойства которых приближены к свойствам биологических тканей, имеет большое значение для развития нейропротезирования. Если материал сохраняет электропроводность при деформации, это потенциально позволяет поддерживать стабильный контакт с нервной тканью в условиях постоянных механических нагрузок. При оценке безопасности разработки необходимо учитывать не только механическую гибкость и электропроводность, но и биосовместимость материала в долгосрочной перспективе, — рассказал эксперт.

Графен обладает рядом свойств, которые делают его перспективным материалом для создания мягкой электроники, рассказал «Известиям» член-корреспондент РАН, директор Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА, председатель научного комитета Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Всеволод Белоусов. Благодаря высокой электропроводности он позволяет регистрировать электрическую активность нейронов. Гибкость и малая толщина графенового покрытия, в свою очередь, потенциально снижают механическое раздражение тканей при движениях мозга.

— Возможно изготавливать микроэлектродные массивы с высокой пространственной плотностью. Коллегами предложен новый подход к изготовлению таких электродов на силиконовой подложке, который потенциально решает проблему токсичности нано- и микрочастиц графена, которые могут образовываться при долговременной эксплуатации таких электродов внутри организма, а также проблему отслаивания электрода от подложки, — сказал ученый.

Но даже если свежий электрод совершенно биосовместим, за годы эксплуатации могут возникать микротрещины, происходить деламинация, деламинация, изменение поверхности, накопление продуктов деградации и хроническая активация микроглии. На следующем этапе необходимы длительные исследования на животных с оценкой глиоза, нейродегенерации и функциональных нарушений, рассказал Всеволод Белоусов.

Сочетание эластичной полимерной основы с проводящим графеновым слоем может найти применение в серийных устройствах, если удастся подтвердить долговременную безопасность и надежность такого решения, а технология производства окажется конкурентоспособной по стоимости, отметил гендиректор компании «Нейроимпланты Элвис», эксперт рынка «Нейронет» Денис Кулешов. Если разработка «Сириуса» позволит упростить производственный процесс, снизить его стоимость и при этом обеспечить сопоставимую или более высокую надежность, это станет серьезным конкурентным преимуществом.