Растворимые микросхемы для медицинских имплантантов

Ученые Стэнфордского университета (г. Пало-Альто, Калифорния), работающие под руководством профессора химической технологии Чженьаня Бао (Zhenan Bao), разработали полностью разлагающиеся в организме электронные устройства из органических материалов. Такие растворимые микросхемы можно использовать в производстве временных медицинских имплантатов и для прицельной пролонгированной доставки лекарственных средств.

По словам не принимавшего участия в работе профессора Массачусетского технологического института Роберта Лангера (Robert Langer), это открывает новые возможности в изготовлении имплантатов. Они могут содержать органические электронные устройства с биоразлагаемыми полимерами, высвобождающими лекарственные препараты.

Ранее в этом месяце исследователи университета Тафта и университета штат Иллинойс опубликовали результаты работы по созданию кремниевых электронных устройств на биоразлагаемой шелковой основе. Производительность кремниевой электроники выше по сравнению с производительностью аналогов, изготавливаемых из органических полупроводников, однако кремний не разлагается в организме. Стэнфордским ученым впервые удалось создать микрочипы, стабильно работающие во влажной среде, но полностью разлагающиеся в условиях организма: через 70 дней от них остаются только металлические контакты толщиной в несколько десятков нанометров.

Кремниевые устройства больше подходят для производства имплантатов, предназначенных для длительного функционирования, например, выполняющих роль интерфейсов с головным мозгом, и в случаях, когда критичным параметром является высокая производительность. В то же время электроника, исчезающая после выполнения своей задачи, может сыграть хорошую службу для таких областей как, например, тканевая инженерия и регулируемая доставка лекарственных препаратов. Врачи могут имплантировать подобные устройства во время оперативного вмешательства и, при необходимости высвобождения антибиотиков в процессе выздоровления, активировать их извне с помощью радиосигналов. Такие устройства можно также использовать для мониторинга процесса послеоперационного восстановления пациентов.

На сегодняшний день разработчики продемонстрировали способность своей органической электроники функционировать во влажных условиях и медленно разлагаться в слабощелочном соленом растворе – в плазме крови или межклеточной жидкости. Для обеспечения целостности и функционирования такого устройства в течение некоторого времени он должен быть покрыт более стойкой к разрушению оболочкой, которая сначала разложится сама и только после этого предоставит свою «начинку» разрушающему действию организма.

Опытный образец биоразлагаемого электронного устройства, описанный в статье «Organic Thin-Film Transistors Fabricated on Resorbable Biomaterial Substrates», опубликованной в предварительной on-line версии журнала Advanced Materials, изготовлен из биоразлагаемой пластмассы, уже получившей одобрение FDA, биоразлагаемого полупроводникового материала и золотых и серебряных контактов. Использование этих металлов для имплантации в организм также получило официальное одобрение.

^{Растворимая микросхема (серая полоска - электрические контакты): в левом верхнем углу - до погружения в солевой раствор, затем на 10-й, 30-й, 40-й, 50-й и 70-й дни после погружения}

В ближайшем будущем разработчики планируют снизить рабочее напряжение устройств, на сегодняшний день слишком высокое для безопасного функционирования в организме – его достаточно для того, чтобы ионизировать молекулы воды. Причиной этой проблемы является слой изолирующего слоя или диэлектрика, который в опытном образце представлен пленкой из поливинилового спирта толщиной в 800 нанометров. Недостаток выбранного из-за его биоразлагаемости поливинилового спирта в том, что его слой представляет собой плотное переплетение полимерных цепочек, пересечь которое электроны способны только при достаточно высоком напряжении. Исследователи уже тестируют более тонкие слои диэлектриков, в том числе липидные мембраны толщиной в несколько десятков атомов.

Еще одной решаемой в настоящее время задачей является подбор материала подложки, к которой крепятся гибкие органические транзисторы и которая в опытном образце изготовлена из хрупкого пластика. Разработчики планируют испытать различные субстраты на основе резины и растягивающихся полимеров, которые обеспечат плотное прилегание устройств к тканям. Они также тестируют различные варианты оболочек, способных в течение заданного времени сохранять целостность всего устройства в среде организма. Оболочка, покрывающая описанный в публикации опытный образец, при погружении в среду, уровень кислотности которой соответствует уровню кислотности организма, немедленно начинает разлагаться.

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