Ультратонкое наномембранное устройство образует мягкое, бесшовное соединение с живой тканью!⁠⁠

Исследователи создали новый класс ультратонких, гибких биоэлектронных материалов, способных идеально взаимодействовать с живыми тканями. Они представили устройство THIN (трансформируемая и незаметная гидрогелево-эластомерная ионно-электронная наномембрана) — мембрану толщиной всего 350 нанометров. В сухом состоянии она жесткая и легка в обработке, а при увлажнении превращается в ультрамягкую поверхность, напоминающую ткань.

Исследование провели в Центре нейробиологических исследований изображений (CNIR) при Институте фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Университетом Сунгкюнкван (SKKU). Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Биологические ткани, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, подвижные и изогнутые. Существующие биоэлектронные устройства часто кажутся чужеродными, вызывая воспаление, плохую адгезию и нестабильные сигналы. Даже ультратонкие из них требуют клеев, подложек или опор.

Команда задалась вопросом: что, если устройство становится мягким и самоклеящимся только при контакте с тканью? Это привело к THIN — наномембране без подложки, которая самоклеится к влажной ткани без швов или давления. Она адаптируется к микроскопически изогнутым поверхностям, поддерживая длительный контакт.

THIN состоит из двух слоев: гидрогеля (альгинат, конъюгированный с катехолом, Alg-CA) для адгезии и полупроводникового эластомера P(g2T2-Se) для проводимости. При увлажнении жесткость уменьшается в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁶ ГПа⋅м²), позволяя обхватывать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм — она становится механически незаметной.

Полимер P(g2T2-Se) показывает рекордное произведение подвижности на емкость (μC*) — 1034 Ф⋅см⁻¹⋅В⁻¹⋅с⁻¹, в 3,7 раза выше, чем у обычных материалов. Это обеспечивает высокую ионно-электронную связь для органических электрохимических транзисторов (OECT), усиливающих биосигналы даже при растяжении.

В экспериментах на грызунах THIN мгновенно прикреплялось к сердцу, мышцам и коре мозга, регистрируя электрокардиограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырех недель без воспалений.

"Наша платформа THIN-OECT — как нанокожа: невидимая для тела, механически неощутимая и электрически мощная, — сказал профессор Дж. Сон Донхи. — Это открывает перспективы для интерфейсов мозг-машина, мониторинга сердца и нейропротезирования".

В отличие от систем на эластомерных подложках, THIN автономен, работает на наноуровне и исключает неопределенности сигналов. Она усиливает сигналы прямо на месте контакта, устраняя нужду во внешних усилителях, и подходит для импантируемых, носимых или инъекционных устройств.

Будущие разработки включают многоканальные матрицы THIN с беспроводной связью для замкнутых интерфейсов мозг-машина, реабилитационной робототехники и биорезорбируемых версий для минимально инвазивного применения.