Киборги с шелковыми микросхемами

Ученые разработали практически полностью разлагающиеся в организме электронные устройства, представляющие собой гибкие электронные схемы, закрепленные на подложке из шелка. В отличие от обычной электроники, которая должна быть тщательно изолирована от разрушающего действия межклеточной жидкости, новые устройства не нуждаются в защите, а шелк обеспечивает их совместимость с живыми тканями. Постепенно шелк растворяется в организме, а остающиеся кремниевые микросхемы не вызывают раздражения, так как их толщина измеряется нанометрами.

На поверхности этой тонкой шелковой пленки размером около одного квадратного сантиметра закреплено шесть транзисторов. Такие гибкие устройства можно имплантировать в организм мыши, как показано на рисунке, не причиняя животному вреда, а шелковая основа впоследствии полностью разлагается. Оранжевая жидкость на шерсти – это дезинфектант, используемый во время операции.

Сегодня имплантация электронных устройств медицинского назначения очень ограничена из-за необходимости их изоляции от среды организма и их традиционного размещения на твердой кремниевой основе. Исследователи заявляют, что разрабатываемые ими микросхемы нового типа будут взаимодействовать с тканями совсем по-другому. Они работают над созданием шелко-кремниевых светодиодов, которые можно использовать в качестве своего рода «татуировок», высвечивающих, например, уровень сахара в крови, а также над системами управляемых электродов, предназначенных для обеспечения взаимодействия электроники и нервной системы.

В прошлом году профессор материаловедения и машиностроения института Бекмана, входящего в структуру университета штата Иллинойс (г. Шампейн-Урбана), Джон Роджерс (John Rogers) разработал гибкие растяжимые кремниевые микросхемы, производительность которых не уступает их жестким аналогам. С целью придания своим устройствам биосовместимости Роджерс и его коллеги начали совместную работу с Фиоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) и Дэвидом Капланом (David Kaplan), профессорами биоинженерии из университета Тафта (г. Медфорд, штат Массачусетс), в прошлом году обнародовавшими созданные ими оптические наноустройства из белков коконов тутового шелкопряда.

Для изготовления новых устройств кремниевые транзисторы, длина которых составляет около миллиметра, а толщина – 250 нанометров, помещают на специальный «штамп», с помощью которого они переносятся на поверхность тончайшей шелковой пленки. Шелк удерживает все устройства на местах даже после имплантации в организм и смачивания физиологическими жидкостями, и обеспечивает плотное прилегание пленки к поверхности ткани. В статье «Silicon electronics on silk as a path to bioresorbable, implantable devices», опубликованной в журнале Applied Physics Letters, авторы утверждают, что имплантация таких устройств в организм животных не вызывает отрицательных побочных эффектов. При этом нахождение внутри организма никак не влияет на производительность транзисторов.

В функционировании шелково-кремниевой электроники шелк играет пассивную, но важную роль. Он обеспечивает достаточную механическую прочность всего устройства, а при намокании – его плотное прилегание к поверхности ткани. Шелк уже получил официальное одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для имплантации в организм человека, где он со временем полностью разлагается на безопасные для здоровья соединения. Шелковые пленки очень гибкие, их можно хранить в свернутом виде и разворачивать во время операции, что облегчает работу хирургов. Изменение условий производства пленок позволяет изменять скорость их деградации в организме от нескольких минут до нескольких лет после имплантации.

Биосовместимость кремния доказана не так убедительно, как биосовместимость шелка, однако результаты всех проведенных исследований демонстрируют безопасность этого материала. Для имплантатов большое значение имеют размер и форма кремниевых деталей, поэтому разработчики стараются сделать их как можно более мелкими. Для функционирования устройств необходимы также электрические контакты, изготавливаемые из золота и титана, которые биосовместимы, но не разлагаются в организме. Роджерс занимается разработкой биоразрушаемых электрических контактов, для того, чтобы в конечном итоге в организме оставались только кремниевые детали.

В настоящее время специалисты работают над шелко-кремниевыми электродами, которые будут выполнять роль интерфейса между нервной системой и внешними устройствами, например, протезами. Такие электроды должны взаимодействовать с живыми тканями гораздо лучше, чем существующие аналоги, которые либо пронизывают ткань, либо находятся на ее поверхности. Электроды на основе шелка можно, например, оборачивать вокруг отдельных периферических нервов, что позволит лучше контролировать движения протезов. Комплексы шелко-кремниевых электродов, предназначенных для таких целей, как глубокая стимуляция мозга, применяемая для подавления симптомов болезни Паркинсона, способны повторять контуры извилин коры головного мозга, что позволит стимулировать недоступные ранее зоны.

Евгения Рябцева, Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru