Живая биоэлектроника: умные кожные сенсоры, детектирующие и исцеляющие

Прототип "живой биоэлектроники": бактерии, гель и сенсоры для лечения кожи

Лаборатория профессора Божи Тянь в Чикагском университете годами изучает интеграцию мира электроники — жёсткого, металлического, громоздкого — с миром тела — мягкого, гибкого, нежного.

В последней работе они создали прототип "живой биоэлектроники" — комбинации живых клеток, геля и электроники, интегрируемой с живой тканью.

Пластыри сделаны из сенсоров, бактериальных клеток и геля из крахмала и желатина. Тесты на мышах показали: устройства непрерывно мониторят и улучшают псориазоподобные симптомы, не раздражая кожу.

"Это мост от традиционной биоэлектроники, включающей живые клетки как часть терапии", — Цзююнь Ши, соавтор и бывший PhD в лаборатории Тянь (теперь Стэнфорд).

"Мы очень взволнованы — это полтора десятилетия в делах", — Тянь.

Исследователи надеются применить принципы к другим частям тела: кардиологическую или нейронную стимуляцию. Изучение опубликовано в Science.

Трехкомпонентная архитектура

Сопряжение электроники с телом всегда сложно. Устройства вроде кардиостимуляторов улучшили бесчисленные жизни, но имеют недостатки: объёмные, жёсткие, вызывают раздражение.

Лаборатория Тянь специализируется на фундаментальных принципах взаимодействия живых клеток и тканей с синтетическими материалами; предыдущие работы: крошечный светоуправляемый кардиостимулятор, прочные гибкие материалы для костных имплантов.

В этом исследовании новый подход. Типично биоэлектроника = электроника + мягкий слой для снижения раздражения. Группа Тянь спросила: а что если добавить третий компонент — живые клетки? Заинтересовались исцеляющими свойствами бактерий S. epidermidis, микробе, естественно живущей на коже человека и снижающей воспаление.

Создали устройство из трёх компонентов. Основа — тонкий гибкий электронный контур с сенсорами. Поверх — гель из тапиокового крахмала и желатина, ультрамягкий, имитирующий состав ткани. Внутрь геля помещены микробы S. epidermidis.

При нанесении на кожу бактерии секретируют соединения, снижающие воспаление, сенсор мониторит кожу на сигналы: температура, влажность.

В тестах на мышах, склонных к псориазоподобным состояниям, — значительное снижение симптомов.

Изначальные тесты длились неделю, но исследователи надеются, что система (ABLE платформа — Active Biointegrated Living Electronics) будет работать полгода и более. Для удобства — устройство можно сублимировать для хранения и легко регидратировать при необходимости.

Поскольку исцеляющий эффект от микробов, "это как живой лекарственный препарат — не нужно доливать", — Сэхён Ким, другой соавтор, текущий PhD в лаборатории Тянь.

Помимо лечения псориаза, ученые видят применения: пластыри для ускорения заживления ран у диабетиков.

Надеются расширить подход на другие типы тканей и клеток. "Например, можно ли создать инсулино-продуцирующее устройство или устройство, интерфейсирующее с нейронами?" — Тянь. "Много потенциальных применений."