Изобретен жидкокристаллический сенсор для снятия сигналов мозга и сердца
В Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) разработали полностью гибкий оптрод — пассивный жидкокристаллический сенсор для снятия электрических сигналов мозга и сердца. Результаты испытаний прорывного изобретения опубликованы в npj Flexible Electronics.
«Биоэлектронные импланты — это устройства, которые можно размещать внутри организма для отслеживания электрических сигналов от таких органов, как сердце и мозг. Они помогают врачам наблюдать за изменениями и динамикой состояния пациента как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Обычно их изготавливают из жестких материалов, например кремния и металлов. А поскольку наши внутренние органы мягкие и постоянно движутся, это механическое несоответствие может приводить к повреждению тканей, образованию рубцов и даже к отторжению импланта. К тому же они подключаются металлическими проводами, которые могут ломаться при изгибе или ловить наводки, что ухудшает качество данных. Наша разработка всех этих недостатков лишена», — говорит ведущий автор исследования Рим Альмасри из Школы биомедицинской инженерии UNSW.
Как это устроено
Устроен сенсор, если в двух словах, довольно просто. Тончайший (25 мкм) полимерный квадратик 1×1 см с жидкими кристаллами внутри и золотым напылением, которое играет роль отражающего покрытия. Та сторона оптрода, которой он крепится к органу, сделана из биосовместимого проводящего материала PEDOT:PSS. К датчику подводится октоволокно, через которое поступает свет и снимаются показания.
«Мы спроектировали систему так, чтобы кристаллы меняли свой угол ориентации в зависимости от амплитуды приложенного сигнала — например, мозгового. С помощью световых сигналов устройство измеряет процентное изменение и преобразует его в количественные оптические показатели», — объясняет исследовательница.
Самое главное — никакой электроники и проводов. А значит, устройство абсолютно неуязвимо к электромагнитным помехам — одной из главных проблем современных биоэлектронных приборов.
«Усилители могут помочь снизить электрические помехи и улучшить качество сигнала непосредственно на месте. Однако они часто громоздки и могут выделять тепло, нагревая окружающие ткани, что ограничивает эффективность системы. Уменьшение размеров электрода усложняет отделение полезного сигнала от фонового электрического шума. Мы же можем масштабировать сенсор до десятков микрон — примерно вдвое тоньше человеческого волоса — без потери качества сигнала и без появления лишних шумов», — подчеркивает Альмасри.
Оптрод проверили на предмет токсичности на клетках мыши in vitro, а работоспособность оценили ex vivo на сердце кролика.
Что дальше
Следующий этап — проведение более глубоких исследований in vivo для повышения разрешающей способности сигнала.
«Мы хотим расширить полосу пропускания сигнала за пределы 10 килогерц, чтобы регистрировать разряды отдельных нейронов. Есть также возможность улучшить ориентацию жидких кристаллов. Если повысить чувствительность устройства, мы сможем детектировать сигналы на микроуровне», — поделилась инженер.
Помимо сердца и мозга, эта технология может быть адаптирована для мониторинга кишечника, мышц и даже отдельных клеток.
