Nowe urządzenia bioniczne łączą elementy biologiczne i elektroniczne
Zintegrowane urządzenia bioniczne, w tym implanty ślimakowe i bioniczne oczy, mają zastępować lub uzupełniać naturalne funkcje organizmu. Istotnym problemem pozostaje jednak to, że istniejące interfejsy bioniczne są nadal bardzo mechaniczne, zwłaszcza gdy porównamy je z tkankami ludzkimi. „Metale i sztywne polimery mogą powodować stany zapalne i blizny, które z czasem prowadzą do pogorszenia osiągów”, wyjaśnia Rylie Green(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu Living Bionics z ramienia Imperial College(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Zjednoczonym Królestwie. „Nawet drobne ruchy mogą wówczas powodować mikrouszkodzenia”. Urządzenia bioniczne są także zwykle chemicznie obojętne, co oznacza, że nie komunikują się aktywnie ze środowiskiem biologicznym ani nie dostosowują się do niego. Brak tego połączenia jest główną przyczyną tego, że sprawność organizmu zazwyczaj spada po kilku miesiącach lub latach od wszczepienia implantu.
Połączenie biologii i elektroniki
Celem projektu Living Bionics, wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), było opracowanie nowatorskiego sposobu łączenia biologii i elektroniki, a także stworzenie interfejsów, które nie tylko będą tolerowane przez ciało, ale staną się jego częścią. „Chcieliśmy zaprojektować żywe elektrody łączące miękkie, przewodzące materiały ze składnikami biologicznymi, które mogą łączyć się bezpośrednio z komórkami i tkankami”, mówi Green. „Zasadniczo chcieliśmy odejść od twardych implantów na rzecz adaptacyjnych, regeneracyjnych układów, które rozwijają się wraz z ciałem”. W tym celu zespół skupił się na opracowaniu materiałów biohybrydowych. Należą do nich między innymi hydrożele, elastomery i modyfikowane materiały zawierające składniki naturalnie występujące w organizmie, zwłaszcza zaś w mózgu. Tego rodzaju materiały są miękkie i elastyczne niczym tkanka, ale mimo to mogą skutecznie przesyłać sygnały elektryczne. „Kolejnym kluczowym osiągnięciem było połączenie komórek macierzystych i sygnałów niezbędnych do wytworzenia zdrowej tkanki nerwowej w urządzeniu”, dodaje Green.
Droga do prawdziwych żywych elektrod
Zespół zbudował trójwymiarowe modele tkanki nerwowej, aby zbadać sposób, w jaki komórki wchodzą w interakcje z materiałami o różnym składzie chemicznym, a także przeprowadził ocenę sprawności elektrycznej i mechanicznej. Przeprowadzone testy pokazały, w jaki sposób niektóre nowe materiały mogą zachować przewodność i żywotność komórek przez długi czas. Ponadto badaczom udało się wykazać, że interfejs urządzenia bionicznego może opierać się na połączeniach materiałów i komórek, dzięki czemu powstają naturalne połączenia komórkowe z sąsiadującą tkanką mózgową(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Kolejnym ważnym przełomem było zrozumienie wpływu właściwości fizykochemicznych niektórych polimerów i hydrożeli na przyleganie komórek i ich funkcjonowanie w długim ujęciu czasowym. „W ten sposób stworzyliśmy ścieżkę prowadzącą do opracowania prawdziwych żywych elektrod, w których zmodyfikowane komórki mogą w kontrolowany i stabilny sposób komunikować się z neuronami gospodarza”, wyjaśnia Green. „Wykazaliśmy, że rozwiązanie działa nie tylko w warunkach laboratoryjnych, ale także w mózgu żywego gryzonia”.
Nowatorskie regeneracyjne terapie bioelektroniczne
Kolejne działania obejmą bardziej rygorystyczną weryfikację rozwiązań na modelach zwierzęcych w celu potwierdzenia długoterminowej biozgodności i stabilności sygnału. Metody wytwarzania nadal wymagają udoskonalenia, aby materiały mogły zostać wykorzystane w warunkach klinicznych i poddawały się wyjałowieniu. „Współpraca z partnerami z branży będzie kluczowa z punktu widzenia spełnienia wymogów regulacyjnych i przejścia do wczesnych badań z udziałem ludzkich pacjentów”, dodaje Green. Green i jej zespół mają nadzieję, że w przyszłości ich prace pozwolą na zmianę sposobu postrzegania implantów medycznych. „Zamiast nieaktywnych urządzeń, które z czasem ulegają degradacji, wyobrażamy sobie żywe, adaptacyjne systemy, które leczą się razem z ciałem i przywracają funkcje w bardziej naturalny sposób”, mówi. „Takie implanty utorują drogę do opracowania regeneracyjnych terapii bioelektronicznych nowej generacji, w których granice między urządzeniem a tkanką stałyby się niemal niezauważalne”.
