Гелевый коктейль использует сахара организма для "выращивания" электродов в живой рыбе.

Новая техника использует химию организма для создания проводящего материала.

Саймон Макин

23 ФЕВРАЛЯ 2023 ГОДА В 16:25

Впервые исследователи использовали химию организма для "выращивания" электродов в тканях живых рыб, стирая границу между биологией и машинами.

Как показали эксперименты, эта техника использует сахара организма для превращения вводимого геля в гибкий электрод, не повреждая ткани. Зебрафиши с такими электродами, выращенными в их мозге, сердце и хвостовых плавниках, не проявили никаких признаков плохого воздействия, а электроды, испытанные на пиявках, успешно стимулировали нерв, сообщают исследователи в журнале Science от 24 февраля.

Когда-нибудь эти электроды могут пригодиться в самых разных областях - от изучения работы биологических систем до улучшения человеко-машинных интерфейсов. Они также могут быть использованы в "биоэлектронной медицине", например, в терапии стимуляции мозга при депрессии, болезни Паркинсона и других заболеваниях (SN: 2/10/19).

Мягкая электроника стремится преодолеть разрыв между мягкой, изогнутой биологией и электронным оборудованием. Но эта электроника, как правило, все еще должна иметь определенные детали, которые могут быть склонны к трещинам и другим проблемам, а введение этих устройств неизбежно приводит к повреждению тканей.

"Все устройства, которые мы сделали, даже если мы сделали их гибкими, чтобы сделать их более мягкими, когда мы их вводим, все равно остается шрам. Это все равно, что воткнуть нож в орган", - говорит Магнус Берггрен, материаловед из Университета Линчепинга в Швеции. Эти рубцы и воспаления могут со временем ухудшить работу электродов".

Предыдущие попытки вырастить мягкую электронику внутри тканей имеют недостатки. Один из подходов использует электрические или химические сигналы для преобразования химического супа в проводящие электроды, но эти разряды также вызывают повреждения. В исследовании 2020 года эта проблема была решена путем генетической модификации клеток червей для производства фермента, который выполняет эту работу, но новый метод достигает своих результатов без генетических изменений.

Вместо этого электроды Берггрена и его коллег используют естественный источник энергии, уже присутствующий в организме: сахара. Гелевый коктейль содержит молекулы, называемые оксидазами, которые реагируют с сахарами - глюкозой или лактатом - для получения перекиси водорода. Это активирует другой компонент коктейля, фермент под названием пероксидаза водорода, который является катализатором, необходимым для превращения геля в проводящий электрод.

"Этот подход использует элегантную химию для преодоления многих технических проблем", - говорит биомедицинский инженер Кристофер Беттингер из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге, который не принимал участия в исследовании.

Для проверки методики исследователи ввели коктейль в мозг, сердце и хвостовые плавники прозрачных зебрафиш. Когда гель становился токопроводящим, он окрашивался в синий цвет, что давало визуальное представление об успешности работы.

"Самое прекрасное, что это можно увидеть: Хвост зебрафиш меняет цвет, а мы знаем, что синий цвет означает проводящий полимер", - говорит материаловед Ксенофон Стракосас, также из Университета Линчепинга. "Когда я увидел это в первый раз, я подумал: "Вау, это действительно работает!"".

Рыбы, похоже, не испытывали никаких болезненных последствий, и исследователи не увидели никаких признаков повреждения тканей. На частично препарированных пиявках команда показала, что подача тока на нерв через мягкий электрод может вызывать мышечные сокращения. В конечном счете, подобные устройства могут быть использованы в паре с различными разрабатываемыми беспроводными технологиями.

Однако долгосрочные характеристики имплантатов еще предстоит определить. "Демонстрации впечатляют", - говорит Беттингер. "Осталось выяснить, насколько стабилен электрод". Со временем вещества в организме могут вступить в реакцию с материалами электрода, разрушая его или даже производя токсичные вещества.

Команде еще предстоит уточнить, насколько точно электроды могут стимулировать нервы, говорит инженер-химик Чжэньань Бао из Стэнфордского университета, которая не принимала участия в работе. Она и ее коллеги разработали способ "выращивания" электрических компонентов с помощью генетических модификаций. По ее словам, важно обеспечить концентрацию стимуляции там, где это необходимо для лечения, и предотвратить утечку тока в нежелательные области.

В новом исследовании относительное содержание различных сахаров в разных тканях определяет, где именно образуются электроды. Но в будущем, по словам Берггрена, можно будет заменить один из компонентов основного ингредиента на элементы, которые прикрепляются к определенным фрагментам биологии, чтобы сделать нацеливание гораздо более точным. "Сейчас мы проводим эксперименты, в которых пытаемся прикрепить эти материалы непосредственно к отдельным клеткам". Стракосас отмечает: "Есть некоторые приложения, где точность действительно важна; вот куда мы должны вкладывать усилия".

Вопросы или комментарии к этой статье? Пишите нам по адресу feedback@sciencenews.org | Reprints FAQ

Версия этой статьи опубликована в выпуске Science News от 25 марта 2023 года.