Биоразлагаемая электроника для медицинских имплантов

Электронные устройства, практически полностью разрушающиеся в организме, могут оказаться полезными для создания временных медицинских имплантов и средств доставки лекарств.

Полностью биоразлагаемые органические транзисторы, недавно разработанные в Stanford University, могут быть использованы для контроля за работой медицинских имплантов, помещенных в организм во время операции.

Биодеградирующая электроника «открывает широкие возможности для использования имплантов», особенно если она становится не дорогой, говорит Роберт Лангер (Robert Langer), профессор Массачусетского технологического института, не принимавший участия в данной работе. Импланты объединяют в себе органическую электронику и биоразлагаемые полимеры для доставки лекарств. Врачи могут имплантировать такое устройство во время операции, затем активировать его извне радиочастотными волнами, если это необходимо для выздоровления. Радиоволны стимулируют выход лекарственного средства, например, антибиотика, в ткани. Электроника может помочь и наблюдению за процессом восстановления изнутри. После окончания лечения такое устройство просто растворяется в организме.

Недавно исследователи из Tufts University и University of Illinois сообщили о создании кремниевой электроники на биоразлагаемой шелковой подложке. Кремниевая электроника обычно имеет большую производительность, чем изготовленная из органических полупроводников, но кремний не является биоразлагаемым материалом. Группа из Стэнфорда под руководством профессора химической инженерии Дженань Бао (Zhenan Bao) оказалась первой, кто создал электронное устройство из полностью биоразлагаемого полупроводникового материала. Хотя такое устройство не растворимо в воде, все, что остается после 70 дней нахождения его в организме – это металлические электрические контакты толщиной в несколько десятков нанометров.

Ученые сумели доказать, что можно создать микроэлектронные устройства из органических материалов, работающие в жидкой среде и разлагаемые в условиях, соответствующих условиям в организме. Деградация таких устройств вызывается самими факторами внутренней среды: соленый раствор со слабощелочной реакцией медленно разрушает транзисторы. Для стабилизации и поддержания эффективности их работы в течение всего периода использования устройства должны быть инкапсулированы в другой слой, состав которого позволяет уничтожить их, как только они окончательно вышли из строя. Прототип устройства, описанного в он-лайн журнале Advanced Materials, сделан из биодеградирующего пластика, одобренного FDA (Food and Drug Administration, US), биодеградирующего полупроводникового материала, напоминающего кожный пигмент меланин, и серебряных и золотых электрических контактов. Эти металлы также разрешены к использованию внутри организма.

«В то время как кремниевые устройства больше подходят для долгосрочных, например, мозговых имплантов, где высокая производительность имеет решающее значение, полностью биоразлагаемые чипы больше подходят для применения в тех областях, где важно, чтобы чип через некоторое время растворился, например, в тканевой инженерии и в области доставки лекарственных препаратов», - говорит Бао.

Стэнфордские исследователи планируют снизить рабочее напряжение созданных ими устройств. Сейчас оно достаточно для разложения воды, что слишком высоко и небезопасно для использования внутри организма. Проблема заключается в изоляционном слое, или диэлектрике. В демонстрационном устройстве в качестве диэлектрика использовалась 800-нанометровая пленка поливинилового спирта, который исследователи выбрали как биодеградирующий материал. Но слои поливинилового спирта толстые и запутанные. Это означает, что для прохождения через них электронов напряжение должно быть относительно высоким. Сейчас ученые ведут эксперименты с более тонкими диэлектриками, включая липидные мембраны, имеющие толщину всего в несколько десятков атомов.

Стэнфордская группа экспериментирует и с различными материалами для использования в качестве подложки для электроники. Органическая электроника гибка, но устройство сделано из хрупкого пластика. Ученые собираются испытать подложки из резины, эластичного полимера, свойства которого во многом соответствуют биологическим тканям, таким как ткани сердца. Они испытывают и различные покрытия для своего устройства. При воздействии уровней кислотности, близких к физиологическим, имеющиеся сейчас покрытия начинают немедленно деградировать. Бао хотела бы найти такие материалы, которые растворяются только через вполне определенный период времени, то есть когда курс лечения закончен.

Источник: www.lana.alpe.ru