Нейроэлектроды из углеродных нанотрубок

Американские исследователи предложили использовать углеродные нанотрубки для создания электродов-имплантантов.

Учёных из Мичиганского университета привлекла уникальная комбинация физических, электрических и механических свойств углеродных нанотрубок, благодаря которым они могут рассматриваться в качестве перспективных материалов для нейроэлектродов, в том числе имплантируемых в мозг человека.

Сейчас в мире более 30 тыс. человек с нарушениями двигательных функций имеют имплантированные в мозг электроды. Кроме того, электростимуляция используется для лечения депрессии, а в 2009 г. начаты клинические испытания глубокой стимуляции мозга для лечения ожирения; ожидается появление имплантируемых устройств, которые помогут видеть слепым.

Однако для широкого распространения этого метода лечения необходимо решить ряд вопросов. Будущие устройства нового поколения будут состоять из множества электродов, способных взаимодействовать с отдельными нейронами, поэтому требуется уменьшить их размеры, желательно до наномасштаба. Традиционные материалы не позволяют это сделать. Кроме того, существует проблема биосовместимости. Как правило, большинство электродов-имплантантов работают лишь несколько месяцев, в редких исключениях – несколько лет. Возможны отдаленные воспалительные эффекты из-за деградации тонких металлических электродов.

Американские исследователи продемонстрировали техническую возможность изготовления электродов из композитов на основе углеродных нанотрубок, использование которых повысит долговечность и уменьшит размеры имплантируемых электродов. Кроме того, в такие электроды можно вводить нервные стволовые клетки, из которых в поврежденных областях могут образоваться нейроны – это может заметно снизить воспаления в нервной ткани.

Учёные из Мичиганского университета создали композиты из чередующихся слоев одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и ламинина – белка, входящего в соединительную ткань человека. Этот важный белок обеспечивает фиксацию клеток; он часто применяется в биологических исследованиях в качестве покрытия. Композиты были созданы на основе метода послойной сборки, который обеспечивает высокий уровень контроля, возможность управления свойствами материала, и его механическую прочность. Ранее и другие исследователи таким способом получали композиты для изучения нервных клеток, но наряду с ОСНТ использовали синтетические небиологические полимеры. Послойные композиты из нанотрубок и природного полимера ламинина сочетают свойства биосовместимого субстрата, обеспечивающего развитие нервных клеток, и электропроводной подложки для электростимуляции. Наилучшие результаты были получены для композита, верхний слой которого состоял из ОСНТ, причем подвергшийся непродолжительной термообработке (10 мин., 300^оС). Возможно, это связано с тем, что термообработка придает гелеподобным слоям белка ламинина необходимую жесткость. Удельная электропроводность термообработанного композита из 10 двойных слоев ОСНТ/ламинин составила 2140 См/м. Исследования показали, что новый материал обладает хорошим сцеплением (адгезией) со стволовыми нервными клетками, более того, была подтверждена их последующая дифференцировка – трансформация в различные клетки нервной системы. Наблюдался рост нейронов, причем 98% клеток были жизнеспособны. Была зарегистрирована синаптическая активность, указывающая на формирование действующей сети нервных клеток.

Таким образом, американские ученые показали, что композит белок-ОСНТ может служить основой электродов нового типа. Теперь исследователи собираются провести детальную оценку материала для возможного применения в качестве имплантируемых электродов, что потребует несколько лет. Кроме того, будут проведены эксперименты на животных.

На фото: Жизнеспособность клеток на ОСНТ/ламинин подложке. Живые клетки показаны зеленым цветом, мертвые – красным. Шкала – 200 мкм.