Созданы проводящие гели, прилипающие на мокрые поверхности биомедицинских сенсоров и имплантатов

Полимеры, которые являются хорошими проводниками электричества, могут быть полезны в биомедицинских устройствах, например, для помощи в зондировании или электростимуляции. Но есть препятствие, мешающее их широкому применению: их неспособность прилипать к поверхности, такой как датчик или микрочип, и оставаться на месте, несмотря на влажность тела.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ заставить проводящие полимерные гели прилипать к влажным поверхностям.

Новый адгезивный метод описан сегодня в журнале Science Advances в статье докторанта Массачусетского технологического института Хенву Юка, бывшего приглашенного ученого Акихиса Иноуэ, постдока Баоян Лу и профессора машиностроения Сюаньхэ Чжао.

Чжао объясняет, что большинство электродов, используемых для биомедицинских устройств, изготовлены из платины или платино-иридиевых сплавов. Это очень хорошие электрические проводники, которые долговечны во влажной среде тела и химически устойчивы, поэтому они не взаимодействуют с окружающими тканями. Но их жесткость является основным недостатком. Поскольку они не могут сгибаться и растягиваться при движении тела, они могут повредить деликатные ткани.

Проводящие полимеры, такие как PEDOT:PSS, напротив, могут очень близко соответствовать мягкости и гибкости уязвимых тканей в организме. Сложная задача – заставить их оставаться подключенными к биомедицинским устройствам, к которым они подключены. В течение многих лет исследователи изо всех сил пытались сделать эти полимеры долговечными во влажной и всегда движущейся среде тела.

“Тысячи газет говорили о преимуществах этих материалов”, – говорит Юк, но компании, которые производят биомедицинские устройства, просто не используют их, потому что им нужны материалы, которые являются чрезвычайно надежными и стабильными. Неудача материала может потребовать инвазивной хирургической процедуры, чтобы заменить его, что несет дополнительный риск для пациента.

Жесткие металлические электроды иногда вредят тканям, но они хорошо работают с точки зрения надежности и стабильности в течение нескольких лет, чего не было до сих пор с полимерными заменителями, говорит ученый.

Большинство усилий по решению этой проблемы связано с внесением значительных модификаций в полимерные материалы для повышения их долговечности и способности прилипать, но Юк говорит, что это создает собственные проблемы: компании уже вложили значительные средства в оборудование для производства этих полимеров, и произошли серьезные изменения. Для формулировки потребуются значительные инвестиции в новое производственное оборудование. Эти изменения будут относиться к рынку, который является относительно небольшим в экономическом плане, но значительным по потенциальному воздействию. Другие подходы, которые были опробованы, ограничены конкретными материалами. Вместо этого команда MIT сосредоточилась на том, чтобы внести наименьшее количество возможных изменений, чтобы обеспечить совместимость с существующими методами производства и сделать метод применимым к широкому спектру материалов.

Их метод включает чрезвычайно тонкий адгезивный слой между проводящим полимерным гидрогелем и материалом подложки. Хотя этот слой имеет толщину всего несколько нанометров (миллиардные доли метра), он оказывается эффективным для того, чтобы заставить гели прилипать к любому из широкого спектра широко используемых материалов подложки, включая стекло, полиимид, оксиды индия, олова и золота. Адгезивный слой проникает в сам полимер, создавая прочную крепкую защитную структуру, которая удерживает материал на месте даже при длительном воздействии влажной среды.

Адгезивный слой можно наносить на устройства с помощью различных стандартных производственных процессов, в том числе центрифугирования, нанесения распылением и нанесения покрытия погружением, что облегчает интеграцию с существующими производственными платформами. Покрытие, которое исследователи использовали в своих испытаниях, выполнено из полиуретана, гидрофильного (влекущего воду) материала, который легко доступен и недорог, хотя можно использовать и другие подобные полимеры. Юк объясняет, что такие материалы становятся очень прочными, когда они образуют взаимопроникающие сети, как это происходит при нанесении покрытия на проводящий полимер. Эта повышенная прочность должна решить проблемы долговечности, связанные с полимером без покрытия, говорит ученый.

В результате получается механически прочный и проводящий гель, который плотно сцепляется с поверхностью, к которой он прикреплен. “Это очень простой процесс”, – говорит Юк.

Склеивание оказывается очень устойчивым к изгибу, скручиванию и даже складыванию материала подложки. Адгезивный полимер был испытан в лаборатории в условиях ускоренного старения с использованием ультразвука, но Юк говорит, что для того, чтобы промышленность биомедицинских устройств приняла такой новый материал, потребуются более длительные, более строгие испытания, чтобы подтвердить стабильность этих покрытых волокон в реалистичных условиях по сравнению с длительными периодами времени.

“Мы были бы очень рады получить лицензию и внедрить эту технологию для дальнейшего тестирования в реальных ситуациях”, – говорит он. По его словам, команда начала общаться с производителями, чтобы выяснить, “как мы можем наилучшим образом помочь им проверить эти знания”.

“Я думаю, что это отличная работа”, – говорит Женан Бао, профессор химического машиностроения в Стэнфордском университете, который не был связан с этим исследованием. “Влажные клеи уже являются большой проблемой. Проводящие клеи, которые хорошо работают во влажных условиях, встречаются еще реже. Они очень нужны для нервных интерфейсов и записи электрических сигналов от сердца или мозга”.

Бао говорит, что эта работа “является крупным достижением в области биоэлектроники”.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом, корпорацией JSR и Samsung.

По материалам scitechdaily.com