В Южной Корее разрабатывают наномембрану, измеряющую биологические сигналы с высокой точностью благодаря идеальной адгезии к сердцу, мозгу и мышцам
- KOREA HERALD
- 11 дек. 2025 г.
- 3 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Исследовательская команда под руководством профессоров Сон Дон Хи и Ким Бон Су при Департаменте по исследованию визуализации нейронауки Института фундаментальных наук (IBS)
- Демонстрирует потенциал для долгосрочного, стабильного измерения биологических сигналов с высокой чувствительностью
Деформируемый ультратонкий двухслойный транзистор [Предоставлено IBS]
В Южной Корее разработали ультратонкое наноэлектронное устройство, которое тоньше, чем можно увидеть невооруженным глазом, и способно самоприлипать к биологическим тканям.
Совместная исследовательская группа под руководством профессоров Сон Дон Хи (по совместительству доцент кафедры электронной и компьютерной инженерии Университета Сонгюнгван) и Ким Бон Су (по совместительству доцент кафедры химии Ульсанского национального института науки и технологии) из Департамента по исследованию визуализации нейронауки при Институте фундаментальных наук (IBS) разработала ультратонкую наномембрану толщиной 350 нанометров (нм) на основе гидрогеля-эластомера и ионно-электронного композита. Им также удалось реализовать органический электрохимический транзистор (OECT, толщиной 400 нанометров) с использованием того же материала.
Это устройство самоприлипает и прочно сцепляется с тканями сердца, мышц и мозга, позволяя точно измерять биологические сигналы, не нагружая ткани. Оно представляет собой инновационную, биоэлектронно-интерфейсную структуру, которая, как ожидается, найдет применение в прецизионной медицине и интерфейсах «мозг-машина».
Живые мягкие ткани, такие как сердце, мышцы и мозг, так же гибки, как вода, и обладают трехмерными изогнутыми структурами, что затрудняет надежное крепление к ним электронных устройств. Обычные электронные устройства либо слишком жесткие, либо слишком толстые, чтобы прилипать должным образом, что может вызывать ощущение инородного тела и воспаление. Кроме того, измерения с помощью электродов страдают от слабой силы сигнала и восприимчивости к шуму, что ограничивает их точность. Хотя для решения этих проблем были разработаны гибкие наноэлектронные устройства, они по-прежнему сталкиваются с ограничениями в плане сложности изготовления, долговечности и практической применимости.
В последнее время были предприняты попытки улучшить адгезию к биологическим тканям путем добавления адгезивных материалов или гидрогелей. Однако эти решения по-прежнему остаются толстыми и жесткими. Кроме того, структура зависит от электродов или датчиков, прикрепленных к гибкой подложке, что затрудняет идеальное прилегание к изогнутым поверхностям микротканей. Кроме того, некоторые из них требуют внешних стимулов, таких как температура или давление, а также существует опасение по поводу повреждения тканей, вызываемого подложкой.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала новую концепцию электронной мембраны (THIN), способной одновременно обеспечивать спонтанную адгезию к различным тканям человека и высокочувствительное измерение биологических сигналов.
Усиление биологических сигналов с помощью деформируемого, ультратонкого двухслойного транзистора (THIN-OECT)
THIN представляет собой ультратонкую структуру толщиной всего 350 нанометров, созданную путем объединения биоадгезивного гидрогеля с высокоэластичным полупроводниковым полимером. Несмотря на свою чрезвычайную тонкость, в сухом состоянии она остается достаточно жесткой и удобной в обращении. При контакте с влагой внутри организма она мгновенно размягчается, сохраняя при этом прочную адгезию, что позволяет ей самовыравниваться по поверхности ткани.
Чтобы реализовать платформу THIN с ее уникальными характеристиками, исследовательская группа нанесла слои гидрофильного гидрогеля и гидрофобного полупроводникового полимера, создав двухслойную структуру. Затем они изготовили электроды, нанеся тонкий слой золота, и в конечном итоге создали транзистор на основе THIN (THIN-OECT) толщиной 400 нанометров. При прикреплении к сердцу, мышцам и мозгу мыши он продемонстрировал высокую чувствительность, низкий уровень шума при усилении и измерении электрокардиограмм, электромиографии и электроэнцефалограмм. Он также стабильно работал без побочных эффектов при длительной имплантации, превышающей четыре недели, доказав высокую совместимость с тканями.
Профессора Сон Донхи (слева) и Ким Бонсу из Департамента по исследованию визуализации нейронауки при IBS, которые провели это исследование. [Предоставлено IBS]
Это достижение одновременно преодолевает три ограничения, которые ранее не могли быть решены существующими биоэлектронными устройствами. Устройство чрезвычайно тонкое и гибкое, что позволяет тканям практически не ощущать его присутствие. Оно обеспечивает мгновенную адгезию к тканям и прилегаемость исключительно за счет биологических жидкостей, что обеспечивает идеальную адгезию. Следовательно, для любого типа тканей не требуются отдельные фиксирующие устройства. Кроме того, оно может четко обнаруживать мельчайшие биологические сигналы. Это позволило впервые реализовать «биоэлектронное устройство, которое практически незаметно при ношении» и способно к длительной имплантации в организм — то, что ранее было недостижимо с помощью традиционных датчиков на основе электродов или устройств с гибкой подложкой.
Принцип деформации и характеристики THIN, который полностью и прочно прилипает к ткани
«Данное исследование представляет собой прорыв, позволяющий преодолеть ограничения у существующих биоэлектронных технологий в отношении практичности, долговечности и стабильности тканей, за счет невидимых наноэлектронных устройств, которые самостоятельно прикрепляются к биологическим тканям. Оно имеет потенциал для изменения парадигмы в области биометрии и биостимуляции. Его можно расширить до различных платформ прецизионной медицины, таких как мониторинг сердечных заболеваний, индивидуальные интерфейсы мозговых волн, системы управления роботами для реабилитации мышц и стимуляционная терапия на основе электронных лекарств» - сказал профессор Сон Дон Хи.
Результаты исследования опубликованы 10 декабря (по местному времени) в международном научном журнале Nature Nanotechnology, ведущем издании в области наноэлектроники.
Комментарии