Новый датчик давления
Группа исследователей из Университета Коннектикута разработала биоразлагаемый пьезоэлектрический датчик давления, который может быть полезен в клинической практике для отслеживания динамики заболеваний легких, отека мозга и других болезней. По окончании использования датчик рассасывается в организме пациента.
Маленький гибкий датчик изготовлен из безопасных для человека материалов, из которых изготавливают шовный материал для хирургических операций, медицинские импланты, костные трансплантаты. Это отличает его от существующих датчиков, которые сдержат в своем составе потенциально токсичные компоненты. Еще одно отличие состоит в том, что существующие аналоги не могут разлагаться внутри тела человека, они должны быть удалены – то есть требуется дополнительное вмешательство в организм, которое сопряжено с риском инфекционных осложнений, а также требует восстановительного периода для пациента.
Новый датчик, разработанный группой Тхань Нгуен (Thanh Duc Nguyen), генерирует малый электрический заряд в случае, когда испытывает давление. Прибор также можно использовать для электрической стимуляции регенераторных процессов в тканях. В перспективе он может быть полезен для ведения пациентов с глаукомой, заболеваниями сердца, раком мочевого пузыря.
Опытный образец датчика сделан из тонкой полимерной пленки длиной 5 мм, шириной 5 мм и толщиной 200 мкм. Он был имплантирован в брюшную полость мыши для контроля частоты дыхания и подавал сигнал в ответ на каждое сокращение диафрагмы в течение 4 дней, после чего распался на органические компоненты.
Для того чтобы оценить безопасность датчика, исследователи имплантировали его на спину мыши, а затем наблюдали за реакцией иммунной системы животного. В результате наблюдалось невыраженное воспаление сразу после имплантации; через 4 недели окружающая ткань полностью вернулась в нормальное состояние.
Одной из самых сложных задач данного проекта было создание биоразлагаемого материала, способного генерировать электрический импульс в ответ на давление или сжатие – явление, известное как пьезоэлектрический эффект. Безопасный разлагаемый полимер, который использовали для создания датчика, состоял из поли-L-лактида (PLLA), который является нейтральным материалом и не испускает электрические импульсы в ответ на давление.
Исследователи смогли модифицировать PLLA в пьезоэлектрический материал путем нагревания, растяжения и разрезания строго под прямым углом, изменив таким образом его молекулярную структуру.
В итоге состав датчика был следующим: два слоя пьезоэлектрической пленки PLLA, зажатые между мельчайшими молибденовыми электродами и покрытые сверху слоем из полимолочной кислоты (PLA). Молибден используется для создания сосудистых стентов и тазобедренных протезов, PLA – для костных винтов.
Схема строения пьезоэлектрического датчика давления.
Рисунок из статьи в PNAS.
Пьезоэлектрические пленки из PLLA генерируют слабые электрические импульсы в ответ даже на самое легкое давление. Эти импульсы улавливаются специальными приемниками, обрабатываются и передаются на монитор.
Для проверки концепции нового датчика исследователи подключили его к усилителю сигнала, расположенному вне тела мыши. Полученный сигнал был достаточно сильным для того, чтобы его смог уловить и зафиксировать осциллограф.
При сравнении с уже существующими на рынке датчиками, новый датчик группы Нгуена ни в чем не уступал им и был столь же надежным, он улавливал широкий диапазон воздействий, характерных для физиологии мозга, глаз и брюшной полости.
Чувствительность датчика можно регулировать путем изменения количества слоев пленки из PLLA и другими способами.
В настоящее время группа занята продлением срока службы датчика. Конечной целью является создание продукта, способного полностью раствориться в организме.
Исследовательская группа подала заявку на получения патента на свое изобретение. Заявка находится на рассмотрении.
Статья Eli J. Curry et al. Biodegradable Piezoelectric Force Sensor опубликована в журнале PNAS.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru