Разрабатывается интерфейс, через который протезы подключат к нервной системе

Ученые из филиала Sandia National Laboratories в штате Нью-Мексико объявили о прорыве в протезировании. Новая разработка позволит протезам подчиняться их владельцам так же естественно, как это делают органические части тела, и передавать ощущение прикосновений.

Химик органических материалов Шон Дирк, инженер робототехники Стив Бюргер и др. трудятся над созданием нового интерфейса-поддержки, состоящего из пористого, гибкого, проводящего биосовместимого материала, через который смогут расти рассеченные нервные волокна. Плотный контакт с кусочками электродов обеспечит группам нервных волокон связь с имплантированной электроникой. Интерфейс будет действовать как своего рода узел по передаче нервных импульсов к протезу и от протеза.

Исследования Sandia фокусируются на биоматериалах и периферических нервах на пересечении с интерфейсом. Идея — в точном подборе гибких, проводящих биосовместимых материалов для интеграции с нервными пучками.

Бюргер говорит: «Если мы сможем получить материалы с правильными свойствами, мы сможем создать здоровый, долгоработающий интерфейс, который позволит инвалидам в течение многих лет без повторных операций управлять роботизированной конечностью с использованием собственной нервной системы».

Исследователи пытаются создать гибкий проводящий электродный материал, используя тонкий испаряющийся металл или структурированные многослойные углеродные нанотрубки.

Работа еще на ранней стадии. Может быть, потребуются годы, прежде чем такие материалы выйдут на рынок.

Но потребность в них острая. В США около 2 млн. человек с ампутированными конечностями. Более 1400 из них — те, кто воевал в Ираке и Афганистане.

До прихода в Sandia Бюргер работал с исследовательской группой в Массачусетском технологическом институте над биомедицинской разработкой роботов, в том числе для протезирования.

Робототехники подошли к проблеме с технической точки зрения, обращая внимание на улучшение нейронной электроники имплантируемого интерфейса и адаптации ее для постоянного ношения.

Но проблемы многочисленны. Интерфейсы должны быть структурированы таким образом, чтобы нервные волокна могли прорастать насквозь. Они должны быть механически и био- совместимы, чтобы не вредить нервной системе или окружающим тканям и способствовать росту нервных волокон. Они также должны быть электропроводимыми для соединения с внешними цепями, и их электрические свойства должны быть настроены на передачу нервных сигналов.

Исследователи начали с техники электропрядения, впервые запатентованной в 1902 г., которая производит нетканые коврики из волокон, благодаря созданию поля высокого напряжения между иглой шприца с раствором полимера и собирающей пластиной. Диаметр иглы и вязкость раствора определяют размер волокон.

В сотрудничестве с UNM’s Center по биомедицинской инженерии и кафедрой химической технологии университета Нью-Мексико исследователи Sandia работали с полимерами, жидкими при комнатной температуре. Электропрядение этих жидких полимеров образует не волокна, а что-то вроде водяных лужиц на плоской поверхности. Чтобы восполнить недостаток образования волокон, электропрядение материала производили на нагретой пластине, инициируя химическую реакцию сшивки полимерных волокон.

Исследователи смогли настроить проводимость окончательного композита с добавлением многослойных углеродных нанотрубок.

Команда создала интерфейсы из двух типов материалов. Это PBF, или полибутилен фумарат, полимер, разработанный в UNM и Sandia для тканевой инженерии, и PDMS, или полидиметилсилоксан, органический полимер на основе кремния, более известный как диметикон, который используется в контактных линзах, медицинских приборах, шампунях и в других продуктах.

PBF является биологически совместимым материалом, который биологически распадается, оставляя контакты. PDMS — биосовместимый подобный замазке материал, не способный к биологическому распаду. Электроды на поверхности этих материалов делают их проводящими.

Работы Sandia финансировались Laboratory Directed Research & Development в 2010 г., позже исследователи стали сотрудничать с MD Anderson Cancer Center in Houston. Партнерство больницы и лаборатории началось при посредничестве тогдашнего сотрудника Sandia Дика Фэйта, который потерял левую ногу из-за рака и был пациентом MD Anderson.

Сейчас Sandia и MD Anderson ищут финансирование для продолжения проекта.

После того, как исследователи Sandia пришли с материалами интерфейса, хирурги MD Anderson зашили эту поддержку в ноги крысы, соединяя рассеченный малоберцовый нерв. После трех-четырех недель, интерфейсы были оценены.

«Образцы из PBF оказались слишком толстымы и недостаточно пористыми для хорошего проникновения нерва через интерфейс, — сказал Дирк. — PDMS показался более перспективным, нервные клетки начинали проникновение. Толщина ковриков, созданных электропрядением, достигала 100 микрон, но структура их не были достаточно пористой и не поддавалась контролю».

Поиск другой техники для создания пористых поверхностей привела к идее микростереолитографии, разработанной в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. Компьютер с PowerPoint image объединяется с проектором, объектив которого сфокусирован на зеркало, отражающее в мензурку с раствором.

Ученые используют увеличительное стекло, чтобы сфокусировать ультрафиолетовое излучение на покрытых PDMS кремниевых пластинах для формирования тонких пористых мембран.

Данная техника позволила команде создать структуру отверстий размером до 79 микрон. Это уже близко к тому, что необходимо для функционирования интерфейса.

sandia