Tým z UNSW School of Biomedical Engineering v Austrálii představil plně ohebný takzvaný „optrode“ – optický senzor, který dokáže převádět elektrické signály lidského těla přímo na světelné signály. Zařízení bylo navrženo tak, aby napodobovalo měkkost lidské tkáně, a v laboratorních testech vykázalo 98,4% míru životaschopnosti buněk. Podle výzkumníků, kteří své výsledky publikovali v odborném časopise npj Flexible Electronics, by nová technologie mohla otevřít cestu k bezpečnějšímu a méně invazivnímu dlouhodobému monitorování činnosti orgánů, jako je srdce a mozek. Senzor byl zatím testován pouze na zvířatech.
- Ohebný optický senzor převádí elektrické signály orgánů přímo na kvantifikovatelné světelné výstupy.
- V laboratorních testech vykázal 98,4% životaschopnost buněk a žádné známky toxicity.
- Zařízení lze zmenšit na desítky mikronů, tedy zhruba polovinu šířky lidského vlasu, bez ztráty kvality signálu.
Proč dosavadní implantáty selhávají
Bioelektronické implantáty jsou zařízení umísťovaná do těla, která sledují elektrickou aktivitu orgánů a pomáhají lékařům zachytit změny ve zdravotním stavu v krátkodobém i dlouhodobém horizontu. Současné systémy se ovšem opírají převážně o elektrický princip a často vyžadují síť elektrod připojených přímo k orgánu.
„Obvykle jsou vyrobeny z tuhých materiálů, jako je křemík a kov, a protože naše vnitřní orgány jsou měkké a neustále se pohybují, tento mechanický nesoulad často vede k poškození tkáně, jizvení a někdy i k tomu, že tělo implantát ‚odmítne‘,“ vysvětluje hlavní autorka studie Dr. Reem Almasri z UNSW School of Biomedical Engineering.
Podle ní se dosavadní zařízení navíc spoléhají na kovové vodiče, které se mohou při ohýbání zlomit a zachytávat velké množství elektrického „šumu“ z okolí, což snižuje kvalitu naměřených dat.
Měkké polymery a citlivé tekuté krystaly
Výzkumníci nahradili tuhé a křehké součástky měkkými, vysoce výkonnými polymery, které jsou navrženy tak, aby bezpečně interagovaly s tělem. Součástí je speciální vodivý polymer, jenž zůstává funkční i po deseti tisících ohybech.
Uprostřed zařízení je uložena vrstva vysoce citlivých tekutých krystalů, které dokážou detekovat amplitudu signálu na úrovni pod jednou milivoltou – tedy podobně slabé signály, jaké produkuje mozek a srdce.
„Systém jsme navrhli tak, aby krystaly natáčely svůj úhel podle amplitudy přiloženého signálu, například signálu z mozku,“ popisuje Almasri. „Pomocí světelných signálů měří procentuální změnu a převádí ji na kvantifikovatelné optické výstupy.“
Na rozdíl od tradičních senzorů toto zařízení nepotřebuje k činnosti lokální elektroniku ani objemné vodiče přímo v místě tkáně, díky čemuž je odolné vůči elektrickému rušení – zásadnímu problému současných bioelektronických přístrojů.
Právě rušení dnes pomáhají potlačovat zesilovače, ty jsou ale podle autorky často objemné a mohou zahřívat okolní tkáň. „V naší technologii můžeme senzor zmenšit na desítky mikronů – zhruba polovinu šířky lidského vlasu – aniž bychom ztratili kvalitu signálu nebo přidali jakýkoli další elektrický šum,“ uvádí Almasri.
Bez známek toxicity pro buňky
Tým rovněž zkoumal, jak si ohebné optrody vedou v buněčných kulturách – zda buňky zůstávají zdravé, normálně rostou a fungují bez poškození. Podle výzkumníků nebyly nalezeny žádné známky toxicity ani kontaminace.
„Naše testy in vitro ukázaly, že optrode neovlivnil růst a životaschopnost buněk ve srovnání s křemíkovými kontrolními vzorky, které se dnes v biomonitorovacích zařízeních běžně používají,“ říká Almasri. Křemík je podle ní silnější a tužší, a může tak růst buněk omezovat výrazněji.
Co bude následovat
Co to znamená v praxi: pokud by se výsledky potvrdily i v dalších fázích výzkumu, mohla by technologie časem umožnit šetrnější a dlouhodobější sledování pacientů se srdečními či neurologickými onemocněními. Zatím je ovšem třeba zdůraznit, že senzor prošel pouze testy na zvířatech a v buněčných kulturách – k nasazení u lidí vede ještě dlouhá cesta.
Tým nyní urychluje komercializaci prostřednictvím své odnože, společnosti Sevren Pty Ltd, kterou založili profesoři Nigel Lovell a Francois Ladouceur z UNSW. Za klíčový další krok označují výzkumníci in vivo studie, které mají zlepšit rozlišení signálu.
Do budoucna by technologie mohla najít uplatnění i mimo srdce a mozek – například při monitorování střev, svalů nebo dokonce jednotlivých buněk. „Chceme rozšířit šířku pásma signálu nad 10 kilohertzů, abychom zachytili aktivaci jednotlivých neuronů,“ dodává Almasri.
Mohly by měkké optické senzory jednou nahradit dnešní tuhé implantáty? Podělte se o svůj názor na budoucnost bioelektroniky v komentářích.
