Кохлеарные имплантаты, изготовляемые методом 3D-печати

Кохлеарные имплантаты, изготовляемые методом 3D-печати

Выпуск 3 (6702) от 13 февраля 2020 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Международная группа биоинженеров разработала кохлеарный имплантат из 3D-коллагена MicroScaffold для элюирования стероидов. Для его формирования используется 3D-технология наслоения материалов в микроскопическом масштабе (3D Microfabrication), разработанная фирмой Nanoscribe. Впервые для изготовления нового кохлеарного имплантата удалось объединить высокоточный пористый 3D-печатный стероидный резервуар с двумерной электродной решеткой на основе MEMS. Устройство предназначено для защиты остаточного слуха от травмы при операции по внедрению электрода.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), более 5% населения мира – ​около 466 млн человек – ​страдают потерей слуха. У некоторых пациентов серьезная потеря слуха связана с повреждением волосковых клеток во внутреннем ухе. В подобных случаях слуховой нерв можно стимулировать путем непосредственного внедрения кохлеарных имплантатов. Для защиты остаточного слуха от травмы при внедрении электрода (electrode insertion trauma, EIT), вызвающей повреждение сенсорных клеток во внутреннем ухе и способной привести к полной потере слуха, международная группа биоинженеров из Лаборатории биомикроробототехники Института науки и технологий Тэгу-Кенбук (г. Тэгу, Южная Корея) в сотрудничестве с Университетом Аджу (г. Сувон, Южная Корея) и Лабораторией микросистем Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработала новый кохлеарный имплантат (рис. 1).



Источник: 대구경북 과학기술연구소

Рисунок 1. Новый 3D-печатный кохлеарный имплантат


Для изготовления каркасов микроструктуры использовались системы Photonic Professional фирмы Nanoscribe, собранные на массиве кохлеарного электрода. Испытания показали, что кохлеарный имплантат успешно стимулировал слуховые нервы. Кроме того, при проведении тестов на морских свинках было продемонстрировано, что 3D-печатные микрорезервуары выделяют стероиды локально и непрерывно, тем самым наглядно демонстрируя эффективность защиты остаточного слуха.

Исследователи представили инновационную двумерную гибкую матрицу кохлеарных электродов на основе MEMS, которая будет использоваться для электростимуляции слухового нерва. Электрод на основе MEMS был совмещен с несколькими микроскопическими пористыми трехмерными структурами, транспортирующими и выделяющими стероиды для защиты остаточного слуха.

Высокоточные трехмерные каркасы были изготовлены с помощью двухфотонной полимеризации и применения набора сред Medium Features для получения пористых структур с микрометровым размером. Этот универсальный подход к 3D-печати позволил адаптировать высокоточный микроструктурный печатный коллаген MicroScaffold под необходимые размеры и геометрию с целью нанесения стероидов на большую площадь (рис. 2).



Источник: 대구경북 과학기술연구소

Рисунок 2. 3D-микроколлагеновый кохлеарный имплантат помещен в улитку уха морской свинки


Универсальность технологии 3D Microfabrication позволяет материализовать сложные, но в то же время чрезвычайно точные микроскопические детали, отвечающие целям исследователей в области наук о жизни, таких как биология и медицина, – ​например, клеточные каркасы, микростенты или микроиглы. Материалы для печати играют решающую роль в формировании свойств конечных структур 3D-печати. Имея это в виду, Nanoscribe исследует различные составы материалов для разработки печатных материалов, которые включают биосовместимые фоторезины. Результатом этих усилий должна стать возможность использования достижений в области формирования свойств смол, разработанных для нужд наук о жизни [1].

Перспективные исследования не стоят на месте – ​и речь идет не только об уже рассмотренном направлении. Так, недавно был разработан новый способ интеграции микросхем для создания электронной кожи.

Кожа человека – ​это сложный многофункциональный орган с уникальными свойствами, обусловленными его гибкостью, эластичностью и способностью взаимодействовать с внешней физической средой через многочисленные рецепторы, связанные с нервной системой. Ученые много лет пытались создать искусственную кожу, обладающую аналогичными функциями, в основном для применения в робототехнике. Эксплуатация робототехнических систем в значительной степени зависит от функций электронного и магнитного поля, необходимых для позиционирования и ориентации в пространстве. Множество исследований и разработок было посвящено реализации этих функций в устройствах гибкой формы. Недавние достижения в области гибких датчиков и органической электроники обеспечили важные предпосылки для реализации идеи (рис. 3).



Источник: Masaya Kondo

Рисунок 3. Гибкая электронная оболочка, оснащенная массивом датчиков магнитного сопротивления и сложной электронной схемой, разработанной для измерения распределения магнитного поля


Однако для точного воспроизведения функций естественной кожи необходимо подключить большое количество отдельных датчиков. Эта сложная задача стала серьезным препятствием на пути реализации электронной кожи. Первые опытные образцы создавались на основе массива отдельно адресованных датчиков, что неизбежно приводило к созданию огромного количества электронных соединений. Чтобы уменьшить объем необходимых соединений, необходим был важный технологический шаг, а именно – ​создание электронных схем, таких как сдвиговые регистры, усилители, источники тока и переключатели, объединенных с отдельными магнитными датчиками для формирования полностью интегрированных устройств.

Исследователи из ФРГ и Японии смогли преодолеть это препятствие с помощью новаторской системы на основе активной матрицы с магнитными датчиками. Особенностью системы является то, что все электронные компоненты сформированы на органических тонкопленочных транзисторах и интегрированы в единую платформу. Было продемонстрировано, что система обладает высокой магнитной чувствительностью и может получать двумерное распределение магнитного поля в режиме реального времени, а также весьма устойчива к механическим деформациям, таким как изгиб, сминание или перегиб. В дополнение к полной системной интеграции использование органических загрузочных сдвиговых регистров – ​важный шаг на пути к созданию электронной оболочки с активной матрицей для роботизированных и носимых приложений. Высокая биосовместимость и гибкость этих устройств обеспечивает возможность использования в современных и перспективных применениях, таких как гибкие робототехнические устройства, имплантаты и протезы. Следующим шагом будет увеличение количества датчиков на единицу площади, а также расширение возможностей электронной кожи для использования на больших поверхностях [2].


1. 3D-Printed Microscaffold Cochlear Implant. I–Micronews.com, January 22, 2020: https://www.i-micronews.com/3d-printed-microscaffold-cochlear-implant/ 

2. Davis Shannon. Integrate Micro Chips for Electronic Skin. Semiconductor Daily Digest, January 23, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/01/23/integrate-micro-chips-for-electronic-skin/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ