В гибком, легко адаптируемом, хорошо хранящемся пластыре скомбинированы бактерии и электроника, чтобы взаимодействовать с организмом.
В течение долгих лет лаборатория профессора Боджи Тяня изучала каким образом интегрировать мир электроники — жёсткий, металлический, громоздкий, с миром живого организма — мягким, гибким, нежным.
В своей последней работе они создали прототип того, что они называют «живой биоэлектроникой»: комбинацию живых клеток, геля и электроники, которые можно интегрировать в живую ткань.
Пластыри изготовлены из сенсоров, бактериальных клеток и геля, приготовленного из крахмала и желатина. Тесты на мышах показали, что эти устройства могут постоянно отслеживать и исправлять псориазо-подобные симптомы, не раздражая кожу.
«Это мостик, проложенный от традиционной биоэлектроники, который включает в себя живые клетки, являющиеся частью терапии», — говорит Дзююнь Ши, первый соавтор исследования и бывший докторант в лаборатории Тяня (сейчас работающий в Стэнфордском университете).
«Мы чрезвычайно рады, так как на его создание у нас ушло полтора десятилетия», — говорит Тянь.
Исследователи надеются, что эти принципы также можно применить к другим частям тела, допустим для кардио- и нейростимуляции. Результаты исследования были опубликованы 30 мая в журнале Science.
Третий слой
Совместить электронику и человеческий организм всегда было трудной задачей. Хотя устройства вроде кардиостимуляторов сделали несметное количество жизней лучше, у них есть недостатки; электроника как правило громоздка и жестка и может вызывать раздражение.
Но лаборатория Тяня специализируется на изучении фундаментальных принципов, лежащих в основе взаимодействия живых клеток и тканей с синтетическими материалами; их предыдущая работа включала в себя управляемый при помощи света крошечный кардиостимулятор, а также крепкие, но гибкие материалы, которые могут стать основой костных имплантов.
В этом исследовании они применили новый подход. Как правило, биоэлектроника состоит из собственно электроники, плюс мягкого слоя, чтобы она меньше раздражала организм.
Но группа Тяня подумала над тем, чтобы добавить новых возможностей путём внедрения третьего компонента — собственно живых клеток. Исследователей заинтриговали лечебные свойства определённых бактерий, таких как S. epidermidis, которая в естественных условиях живёт на коже человека и, как было показано, снижает воспаление.
Они создали устройство из трёх компонентов. Основу составляет тонкая гибкая микросхема с сенсорами. На неё нанесён ультратонкий гель, созданный из крахмала тапиоки и желатина и имитирующий собственно ткань. Наконец, в гель введены микробы S. epidermidis.
Когда устройство помещают на кожу, бактерии секретируют соединения, понижающие воспаление, а сенсор отслеживает такие параметры кожи как температура и влажность.
В тестах на мышах, подверженных псориазо-подобным расстройствам, было показано существенное сокращение симптомов.
Первоначальные тесты продолжались неделю, но исследователи надеются, что система, которую они назвали платформой ABLE (Active Biointegrated Living Electronics — активная биоинтегрированная живая электроника — прим. перев.), может использоваться в течение полугода и более. «Чтобы сделать лечение более удобным, — говорят они, — для хранения устройство можно подвергнуть лиофильной сушке, а затем при необходимости с лёгкостью восстановить».
Поскольку лечебные свойства обеспечиваются микробами, «это вроде живого лекарства — его запас не нужно пополнять», — говорит Сейхюн Ким, ещё один из первых соавторов работы, ныне докторант в лаборатории Тяня.
Помимо лечения псориаза учёные могут рассматривать такое применение разработки, как пластыри для быстрого заживления ран у пациентов с диабетом.
Также они надеются расширить применение на другие типы тканей и клеток. «Например, можно ли создать устройство по выработке инсулина или устройство, сообщающееся с нейронами? — говорит Тянь. — Существует множество потенциальных применений».
Тянь говорит, что к этой цели он стремился с тех пор, как стал постдоком почти 15 лет назад, когда он впервые начал экспериментировать с «киборг-тканями».
«С тех пор мы очень многое узнали о таких фундаментальных вопросах, как взаимодействие клеток с материалами, химия и физика гидрогелей, и это позволило нам совершить этот скачок, — говорит он. — Удивительно наблюдать, как это становится реальностью».
«Моей страстью всегда было раздвигать границы возможного в науке, — говорит Ши. — Я надеюсь, наша работа способна стать вдохновением для следующего поколения электронного дизайна».
Другими авторами работы из Чикагского университета были Пендзю Ли, Чуаньван Ян, Итан Эйг, Льюис Ши и Дзипин Юэ, а также учёные из Ратгерского университета и Колумбийского университета.
Исследователи использовали Лабораторию по исследованию мягкой материи и Лабораторию Нанопроизводства Притцкера при Чикагском университете. Также они работают с Центром предпринимательства и инновации Польски, чтобы обеспечить коммерческое использование технологии.
Автор — Луиз Лёрнер.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Вам также может быть интересно: