Інженери UConn створили біорозкладуваний датчик, який може допомогти лікарям контролювати хронічні захворювання легенів, набряк мозку і багато інших захворювань, перш ніж розчинитися нешкідливо в тілі пацієнта.
Маленький гнучкий сенсор виготовлений з медичних матеріалів, вже схвалених Управлінням з контролю за продуктами і ліками США для використання в хірургічних швах, кісткових трансплантатах і ^ медичних імплантатах. Він призначений для заміни існуючих імплантованих датчиків тиску, які мають потенційно токсичні компоненти.
Ці датчики повинні бути видалені після використання, піддаючи пацієнтів додатковій інвазивній процедурі, збільшуючи час відновлення і збільшуючи ризик зараження.
Оскільки датчик UConn випромінює невеликий електричний заряд при додатку тиску до нього, пристрій також може бути використаний для забезпечення електричної стимуляції для регенерації тканин, кажуть дослідники. Інші потенційні застосування включають моніторинг пацієнтів з глаукомою, серцевими захворюваннями і раком сечового міхура.
«Ми дуже раді, тому що це сталося вперше, коли ці біосумісні матеріали були використані таким чином», - говорить Тхань Дюк Нгуєн, доцент механічної та біомедичної інженерії в Інституті регенеративної інженерії в UConn Health та Інститут матеріалознавства в кампусі Сторрса.
«Медичні датчики часто імплантуються безпосередньо в м'які тканини та органи», - зазначає Нгуєн. "Витяг їх може завдати додаткової шкоди. Ми знали, що якщо ми зможемо розробити датчик, який не вимагає хірургічного втручання, це буде дійсно значним досягненням ".
Прототип сенсора, виконаний лабораторією, складався з тонкої полімерної плівки довжиною п'ятнадцять міліметрів, шириною п'ять міліметрів і товщиною 200 мікрометрів. Датчик був імплантований в живіт миші, щоб контролювати швидкість дихання. Він передавав достовірні показання скорочень у діафрагмі миші протягом чотирьох днів, перш ніж розпався на окремі органічні компоненти.
Щоб переконатися, що датчик був також безпечний з медичної точки зору, дослідники імплантували його в задню частину миші, а потім стежили за відповіддю від імунної системи. Результати показали лише незначне запалення після того, як датчик був вставлений, а потім навколишня тканина повернулася до нормальної після чотирьох тижнів.
Однією з найбільших проблем проекту було отримання біорозкладного матеріалу для отримання електричного заряду, коли він піддавався тиску або стисненню, - процес, відомий як п'єзоелектричний ефект. У звичайному стані фізично безпечний полімер, який використовується для датчика - продукт, відомий як Poly (L-лактид) або PLLA, є нейтральним і не випромінює електричний заряд під тиском.
Елі Каррі, аспірант лабораторії Нгуена і провідний автор статті, забезпечив ключовий прорив проекту, коли він успішно перетворив PLLA в п'єзоелектричний матеріал, ретельно нагріваючи його, розтягуючи і розрізаючи під прямим кутом, так що його внутрішній молекулярна структура була змінена, і вона прийняла п'єзоелектричні властивості. Потім Каррі підключив датчик до електронних схем, щоб можна було перевірити здібності матеріалу.
Датчик UConn складається з двох шарів п'єзоелектричної плівки PLLA, затиснутої між крихітними молібденовими електродами, а потім інкапсульованих шарами полімолочної кислоти або PLA, біорозкладуваного продукту. Молібден використовується для серцево-судинних стентів та імплантатів.
П'єзоелектрична плівка PLLA випромінює невеликий електричний заряд, коли до нього прикладається навіть найменший тиск. Ці невеликі електричні сигнали можуть бути захоплені і передані на інший пристрій для перевірки лікарем.
У рамках свого експерименту дослідницька група перевірила імплантований датчик на підсилювач сигналу, розташований поза тілом миші. Потім підсилювач передав електричні сигнали на осциллограф, де показання датчика можна було легко переглянути.
Дослідники кажуть, що показання датчика під час тестування були рівні показанням існуючих комерційних пристроїв і настільки ж надійні. Новий датчик здатний захоплювати широкий спектр фізіологічних явищ.
Чутливість датчика можна відрегулювати, змінивши кількість шарів використовуваної PLLA та інші фактори.
Зараз група досліджує способи продовження функціонального терміну служби пристрою. Кінцевою метою лабораторії є розробка сенсорної системи, повністю біорозкладається в організмі людини.
Дослідники кажуть, що вже зараз новий прилад можна використовувати в його нинішньому вигляді, щоб допомогти пацієнтам уникнути інвазивної операції видалення.
"Для цього датчика багато додатків, - говорить Нгуєн. "Скажімо, датчик імплантовано в мозок. Ми можемо використовувати біорозкладені дроти і розміщувати супутню нерозкладну електроніку далеко від тонкої тканини головного мозку, наприклад, під шкірою за вухом, подібно до кохлеарного імплантату. Просто потрібна невелика обробка для видалення електроніки, не турбуючись про те, що датчик знаходиться в безпосередньому контакті з м'якою мозковою тканиною ".