Вчені розробили гнучкий пластир, який можна адаптувати та зберігати, який поєднує бактерії та датчики для взаємодії з тілом.
Дослідники створили «живу біоелектроніку» — пристрій, що поєднує клітини, гель і електроніку для моніторингу та лікування захворювань шкіри. Протестований на мишах, пристрій зменшує запалення та має потенціал для більш широкого застосування в медицині. Команда працює над комерціалізацією технології.
Протягом багатьох років лабораторія професора Божі Тяня досліджувала, як поєднати сферу електроніки — як правило, жорстку, металеву та громіздку — з м’якою, гнучкою та делікатною природою людського тіла. У своїх останніх дослідженнях вони створили прототип того, що вони називають «живою біоелектронікою»: поєднання живих клітин, гелю та електроніки, яка може інтегруватися з живою тканиною.
Пластирі складаються з сенсорів, бактеріальних клітин і гелю з крохмалю і желатину. Випробування на мишах показали, що пристрої можуть постійно контролювати та покращувати симптоми, схожі на псоріаз, без подразнення шкіри.
«Це місток від традиційної біоелектроніки, яка включає в себе живі клітини як частину терапії», — сказав Цзююнь Ши, співавтор статті та колишній аспірант лабораторії Тяня (тепер при Стенфордському університеті).
«Ми дуже схвильовані, тому що ми створювали півтора десятиліття», — сказав Тіан.
Дослідники сподіваються, що ці принципи також можна застосувати до інших частин тіла, таких як кардіологічна або нервова стимуляція. Дослідження опубліковано 30 травня в Science.
Третій шар
Поєднати електроніку з людським тілом завжди було важко. Хоча такі пристрої, як кардіостимулятори, покращили незліченну кількість життів, вони мають свої недоліки; електроніка, як правило, громіздка та жорстка, і може викликати подразнення.
Але лабораторія Тіана спеціалізується на розкритті фундаментальних принципів взаємодії живих клітин і тканин із синтетичними матеріалами; їхня попередня робота включала крихітний кардіостимулятор, яким можна керувати за допомогою легких і міцних, але гнучких матеріалів, які могли б стати основою для кісткових імплантатів. У цьому дослідженні вони застосували новий підхід. Як правило, біоелектроніка складається з самої електроніки, а також м’якого шару, щоб вона не подразнювала організм.
Але група Тіана задавалася питанням, чи можуть вони додати нові можливості, інтегрувавши третій компонент: самі живі клітини. Групу зацікавили цілющі властивості певних бактерій, таких як S. epidermidis, мікроба, який природним чином живе на шкірі людини і, як було показано, зменшує запалення.
Вони створили пристрій з трьох компонентів. Каркас являє собою тонку гнучку електронну схему з датчиками. Він покритий гелем, створеним із крохмалю тапіоки та желатину, який є надм’яким і імітує склад самої тканини. Нарешті, мікроби S. epidermidis заправлені в гель. Коли пристрій поміщається на шкіру, бактерії виділяють сполуки, які зменшують запалення, а датчик контролює шкіру на предмет таких сигналів, як температура та вологість шкіри.
Під час випробувань на мишах, схильних до шкірних захворювань, схожих на псоріаз, спостерігалося значне зменшення симптомів.
Їх початкові тести тривали тиждень, але дослідники сподіваються, що система, яку вони називають платформою ABLE, для Active Biointegrated Living Electronics, може використовуватися протягом пів року або більше. Щоб зробити лікування більш зручним, вони сказали, пристрій можна ліофілізувати для зберігання та легко регідратувати, коли це необхідно.
Оскільки цілющі ефекти забезпечуються мікробами, «Це як живий наркотик — вам не потрібно його заповнювати», — сказав Сахюн Кім, інший співавтор статті та нинішній аспірант у лабораторії Тіана.
Більш широкі сфери застосування та майбутні цілі
Окрім лікування псоріазу, вчені можуть передбачити такі застосування, як пластирі, для прискорення загоєння ран у пацієнтів з діабетом.
Вони також сподіваються поширити цей підхід на інші типи тканин і клітин. «Наприклад, чи можете ви створити пристрій, що виробляє інсулін , або пристрій, який взаємодіє з нейронами?» сказав Тіан. «Є багато потенційних застосувань».
Тіан сказав, що це мета, яку він виношував ще з часів, коли він був доктором майже 15 років тому, коли він уперше почав експериментувати з «тканинами кіборга».
«З тих пір ми так багато дізналися про фундаментальні питання, наприклад про те, як клітини взаємодіють з матеріалами, про хімію та фізику гідрогелів, що дозволяє нам зробити цей стрибок», — сказав він. «Було чудово побачити, як це стало реальністю».
«Моєю пристрастю завжди було розширювати межі можливого в науці», — сказав Ши. «Я сподіваюся, що наша робота може надихнути наступне покоління електронних дизайнів».