Ученые Института БМС разработали наноматериал для «искусственной мышцы»

Ученые Института Биомедицинских систем НИУ МИЭТ предприняли попытку создать искусственную мышцу. На данном этапе в нашем университете уже разработан новый материал, который можно будет применять при операциях, требующих внедрения электропроводимых материалов, без использования драгоценных металлов.

Напомним, что сегодня искусственная мышца делается на основе электропроводящих полимеров: чтобы положить ее внутрь человека, нужно сначала нанести на нее электроды из платины, золота или палладия (или другого драгоценного металла). Это сильно увеличивает стоимость имплантата. Электрод из материала, разработанного в МИЭТе, будет дешевле на 99,9%. За биопроводность и биосовместимость без использования драгоценных металлов новая разработка МИЭТа получила свой первый патент. Второй – был выдан за хорошую реакцию на деформацию, что крайне важно при имплантации искусственного материала в мышечную ткань: имплантат должен хорошо сокращаться в гармонии с «родной» мышцей в теле человека. Все проекты по данному направлению выполняются под руководством профессоров МИЭТа В.М. Подгаецкого и С.А. Терещенко (соглашения 14.578.21.0221 от 29.09.2016 и 14.578.21.0234 от 26.09.2017).

Из чего состоит новый материал

Искусственная мышца – это электроактивный полимер, который деформируется при воздействии на него импульсами тока. Материал электродов: матрица (более 99 мас.%) из биологического материала (бычий сывороточный альбумин), взятая из живого организма, или карбоксиметилцеллюлоза с добавками коллогена и хитозана; наполнитель (менее 1 мас.%) из углеродных нанотрубок. Вариативность состава позволяет менять параметры под нужды пациента: можно сделать мышцу в виде слоя или объемного органа. Новый материал подходит также для изготовления электропроводимых нитей, на которые уже есть запросы от медиков. В биологической среде металлические нити, которые сейчас используются во врачебной практике, очень недолговечны: они постепенно растворяются в биологическом жидкости и распространяется по телу человека. Новая разработка МИЭТа имеет высокую степень биосовместимости и хорошие предпосылки быть востребованным в нейрохирургии.

Как будет работать

Рассмотрим механизм работы «Искусственной мышцы» МИЭТ на примере инфаркта миокарда, при котором часть ткани сердечной мышцы омертвляется и перестает деформироваться. На место омертвевшей ткани кладется заплатка из нового материала, а с помощью специальных электронных систем беспроводным способом к ней будет поступать сигнал, заставляющий ее «сокращаться». Тот же принцип будет работать и при имплантации в сфинктеры (пищевод, мочевой пузырь и др.): к материалу будет поступать сигнал, и он будет «знать», когда следует открыться, а когда закрыться.

Кроме применения нового материала в качестве имплантата, эффективно его использование в качестве датчика деформации (тензорезистора). Слои из этого материала 3-D принтером наносятся, допустим, на кожу руки хирурга (как перчатки), и при проведении операций роботами (например, для дистанционных операций или опасных для врачей маневрах на пациентах с ВИЧ) они синхронно и точно повторят движения рук хирурга. Врач делает маневры пальцами, а робот в точности копирует его действия.

Кстати, этот же способ применим и для работы сотрудников спецслужб: специалист может дистанционно с помощью робота и «перчаток» из нового материала обезвредить бомбу или исследовать неизвестный химический состав, не подвергая риску собственную жизнь.

Эксперименты

Кандидат физико-математических наук, доцент института БМС НИУ МИЭТ Леван Ичкитидзе говорит, что уже с мая этого года совместно с биологами Тимирязевской академии проводятся эксперименты по имплантации нового материала в организмы животных: кроликов и птиц. Кроликам материал имплантируется в ушные раковины и в хрящевую ткань, а птицам, которые считаются наиболее чувствительными к чужеродным тканям, – в мышцы бедра. «Первая серия испытаний (на сроках в 1 и 3 месяца) закончилась успешно, – отмечает Леван Ичкитидзе. – Показатели микроскопии и гистологии мы получили хорошие. Более долгосрочное, полугодовое, испытание планируем завершить в следующем году. После этого ожидаем разрешения на эксперимент с более крупным животным и только потом можно будет думать об апробации материала на человеке».

Леван Ичкитидзе также отметил, что предложенный новый электропроводящий композиционный наноматериал будет востребован в электронике и микроэлектронике, а особенно в бурно развивающем направлении «кожная электроника». В первом случае новый материал позволит без нагрева и других манипуляции создать проводящие дорожки и разные элементы на подложке. В последнем водная дисперсия композиционного наноматериала с помощью 3-D принтера наносится на поверхности кожи человека, и из них формируются нужные элементы и системы электроники и микроэлектроники.

Напомним, что недавно Европейская организация по искусственным органам (European Society for Artificial Organs (ESAO)) проводила в Мадриде 45-й конгресс под лозунгом «Искусственные органы для жизни». Доклады ученых МИЭТа о свойствах нового разработанного ими материала («Слои композитных наноматериалов в качестве электродов в искусственном мышце» и «Слои композитных наноматериалов как прототип тензорезисторного датчика») были признаны одними из лучших, а докладчик доцент Института биомедицинских систем Леван Павлович Ичкитидзе был удостоен высшей награды (из двух возможных).

Для справки:

В медицинской практике воспроизведение и контроль движений является важной технологической и инженерной задачей. В данный момент ведутся многочисленные исследования и разработки в области создания «искусственных мышц». Такие механизмы должны повторять действие естественных мышц: сжатие, растяжение, кручение, свободное движение в различных направлениях, подъём грузов, перемещение. Важным преимуществом приводов типа «искусственная мышца» является то, что материал меняется как целое, отсутствуют трущиеся части и соединения. Пусковым механизмом привода являются различные виды энергии – электрическая, химическая, термическая и другие. Искусственные мышцы могут входить в состав неимплантируемых медицинских приборов и имплантируемых приборов, протезов, органов.

Ссылка на оригинал статьи