Нанопокрытие помогает мозговым имплантам выжить в голове человека

Современные технологии уже позволяют помочь людям, страдающим нейродегенеративными заболеваниями, депрессией и эпилепсией. На данный момент болезни мозга лечат с помощью подкожных электродов, а также электродов, фиксируемых на поверхности мозга. Однако самые большие надежды медицина возлагает на проникающие в мозг микроэлектроды, которые смогут воздействовать на нервную систему более прицельно и точно.

Электромозговая схема

Как поверхностные электроды, так и погружные микроэлектроды-импланты действуют по двум схемам. Они либо стимулируют нейроны электрическими импульсами, подавляя или корректируя неправильные собственные сигналы мозга, либо принимают информацию в виде электрического импульса от работающего нейрона и передают ее на компьютер или к другим участкам нервной системы в обход неработающих, больных частей мозга.

Именно так работают специальные компьютерные программы, которые позволяют преобразовывать импульсы мозга в определенные команды. Например, еще в 2006 году исследователям из Вашингтонского университета (University of Washington) удалось сделать интерфейс, при помощи которого управление курсором осуществлялось «силой мысли». Подобные системы также позволяют полностью парализованным людям управлять инвалидным креслом. А в 2008 году рабочая группа под руководством Чета Морица (Chet Moritz) также из Вашингтонского университета решила не делать ставку на механические устройства. Ученые напрямую подключили мозг к парализованным рукам обезьянки, причем вполне успешно.

Однако у электродов, вводимых непосредственно в мозг, есть множество недостатков. Один из них – слишком короткое время жизни. Через несколько месяцев после имплантации они перестают функционировать. «Вы ведь хотите иметь возможность использовать их по меньшей мере пару лет после операции», -- говорит Мохаммед Реза Абидиан (Mohammad Reza Abidian), сотрудник факультета биомедицинской инженерии Мичиганского университета (Department of Biomedical Engineering, University of Michigan). Вместе со своими коллегами Абидиан попытался улучшить технологию мозговых имплантов с помощью модификации поверхности микроэлектродов. «Существующие технологии не позволяют долго использовать электроды в большинстве случаев, так как ткани мозга отторгают имплант. Наша цель – увеличить их эффективность и время жизни», -- добавил ученый.

Обертка для электрода

Покрытие, разработанное мичиганскими исследователями, состоит из трех компонентов, которые, работая совместно, позволяют имплантируемым электродам более мягко взаимодействовать с тканями мозга. Нанокомпозитное покрытие состоит из специального электропроводящего биосовместимого полимера, альгинатового гидрогеля, приготовленного на основе натуральных солей, выделяемых из водорослей и широко применяемых в медицине, и биоразлагаемых нановолокон, в объем которых были введены включения сильного противовоспалительного и иммунодепрессивного лекарственного средства дексаметазон.

Покрытие наносили пошагово. Сначала вытягиваемые из расплава тонкие волокна наматывали на электрод. Затем поверх волокон наносился водорослевый гель в смеси с мономерами будущего электропроводящего полимера. Последний затем образовывал трехмерную сеть в процессе электрополимеризации, электродом для которой служил собственно сам модифицируемый электрод-имплант.

Как работает покрытие

У каждой части покрытия своя роль. Гелеобразная масса служит матрицей для функциональных частей и обеспечивает биосовместимость с тканями организма. Нановолокна постепенно разлагаются, высвобождая дексаметазон. Это лекарственное средство подавляет иммунный отклик организма на посторонний материал и предотвращает инкапсуляцию -- процесс создания замкнутого изолирующего барьера вокруг патологического включения в организме.

Электропроводящий полимер уменьшает сопротивление электродов. Лабораторные тесты показали, что покрытие снижает полное сопротивление электрода при переменном токе на 1-2 порядка.

Кроме электрических тестов ученые анализировали биосовместимость модифицированных электродов и динамику выделения лекарственных средств в среде, приближенной по своим свойствам к тканям человеческого мозга. В работе принимали участие и сотрудники Центра нейрокоммуникационных технологий (Center for Neural Communication Technology) Мичиганского университета. Именно они разработали и предоставили микроэлектроды. В ближайшем будущем исследователи планируют провести тесты новых модифицированных электродов на животных.

Дэвид Мартин (David Martin), соавтор Мохаммеда Резы Абидиана, создал частную исследовательскую компанию Biotectix при Мичиганском университете, которая планирует воплотить вновь созданную технологию в медицинскую реальность, говорится в пресс-релизе, опубликованном на сайте университета. Подробнее с методами и результатами экспериментов можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials. Микрофотография нановолокон с лекарственными включениями, являющаяся иллюстрацией к статье, была помещена на обложку номера.