автор: GIST (Институт науки и технологий Кванджу)
Имплантируемые биоэлектроды — это электронные устройства, которые могут контролировать или стимулировать биологическую активность путем передачи сигналов в живые биологические системы и от них. Такие устройства могут быть изготовлены с использованием различных материалов и технологий. Но из-за их тесного контакта и взаимодействия с живыми тканями выбор правильного материала с точки зрения эксплуатационных характеристик и биосовместимости имеет решающее значение. В последнее время проводящие гидрогели привлекли большое внимание в качестве биоэлектродных материалов благодаря их гибкости, совместимости и превосходной способности к взаимодействию.
Однако отсутствие у обычных проводящих гидрогелей способности к инъекции и разложению ограничивает их удобство использования и эксплуатационные характеристики в биологических системах.
На этом фоне исследователи из Кореи в настоящее время разработали проводящие гидрогели на основе графена, обладающие возможностью инъекции и регулируемой способностью к разложению, что способствует проектированию и разработке усовершенствованных биоэлектродов. Исследование проводилось под руководством профессора Чжэ Ен Ли из Института науки и технологий Кванджу (GIST) и было опубликовано в журнале Small.
Объясняя обоснование своего исследования, проф. Ли говорит: «Традиционные имплантируемые электроды часто вызывают ряд проблем, таких как большой разрез для имплантации и неконтролируемая стабильность в организме. Напротив, проводящие гидрогелевые материалы обеспечивают минимально инвазивную доставку и контроль функционального срока службы биоэлектрода in vivo и, таким образом, весьма желательны».
Для синтеза вводимых проводящих гидрогелей (ICHs) исследователи использовали функционализированный тиолом восстановленный оксид графена (F-rGO) в качестве проводящего компонента благодаря его большой площади поверхности и превосходным электрическим и механическим свойствам.
Они выбрали функционализированный дималеимидом (PEG-2Mal) и диакрилатом (PEG-2Ac) полиэтиленгликоль в качестве форполимеров, чтобы облегчить разработку ICHS, которые являются стабильными и гидролизуемыми соответственно. Затем эти форполимеры подвергали тиол-еновым реакциям с поли (этиленгликоль)-тетратиолом (PEG-4SH) и F-rGO.
ICHs, изготовленные с использованием PEG-2Ac, были разлагаемыми (DICH), в то время как те, что с PEG-2Mal, были стабильными (SICH). Исследователи обнаружили, что новые ICH превосходят различные существующие, чрезвычайно хорошо связываясь с тканями и регистрируя самые высокие сигналы. В условиях in vitro (вне живого организма) SICH не разлагался в течение месяца, в то время как DICH демонстрировал постепенную деградацию начиная с третьего дня.
При имплантации на кожу мыши DICH исчезал через три дня после введения, в то время как SICH сохранял свою форму до 7 дней. В дополнение к контролируемой разлагаемости, оба ICHS были совместимы с кожей.
Кроме того, команда оценила способность ICHs регистрировать электромиографические сигналы in vivo в мышцах и коже крыс. Как SICH, так и DICH записывали сигналы высокого качества и превосходили по производительности традиционные металлические электроды. Записи SICH можно было отслеживать до трех недель, в то время как сигналы DICH были полностью потеряны через пять дней. Эти результаты свидетельствуют о применимости электродов SICH для долгосрочного мониторинга сигнала, а электродов DICH — для временного использования, не требующего хирургического удаления.
Подводя итог этим результатам, проф. Ли говорит: «Разработанные нами новые электроды ICH на основе графена обладают такими характеристиками, как высокая чувствительность к сигналу, простота использования, минимальная инвазивность и настраиваемая способность к разложению. В совокупности эти свойства могут помочь в разработке передовой биоэлектроники и функциональных имплантируемых биоэлектродов для лечения различных заболеваний, таких как нервно-мышечные заболевания и неврологические расстройства».