На основе жидкого металла и агарозного гидрогеля они создали небольшие резисторы, конденсаторы, диоды и мемристоры, которые можно разместить в искусственных органах, чтобы с их помощью нервная система управляла имплантами. Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters, научном журнале, издаваемом Американским химическим обществом.
Ученые по всему миру работают над тем, чтобы создавать искусственные внутренние органы. Это поможет людям, страдающим тяжелыми заболеваниями, не ждать донорских почек или сердца. В прошлом году было объявлено, что сибирские ученые предложили концепт создания искусственной печени.
Однако для того, чтобы начать производить такие органы массово, ученым необходимо решить несколько важных проблем. Одна из них ― управление органами. Мало просто «научить» искусственный орган выполнять прямую свою функцию. Его также надо «подключить» к нервной системе.
«Наши внутренние органы управляются электрическими импульсами, и, соответственно, для создания их заменителей необходимы электронные устройства, которые бы считывали эти импульсы, ― рассказывает сотрудник НОЦ Инфохимии Университета ИТМО Артемий Иванов. ― Однако современная электроника в основном кремниевая. Она твердая и хрупкая, ее нельзя поместить внутрь тела. Нужны материалы, которые по своим электронным характеристикам были бы оптимальны и при этом по механическим свойствам приближались бы к человеческому телу. То есть были бы мягкими и гибкими».
Для создания гибкой электроники сейчас применяются разные материалы: проводящие полимеры, наночастицы, гидрогели и жидкие металлы. Именно на последних двух материалах решили сосредоточиться сотрудники НОЦ Инфохимии ИТМО, чтобы создать прототип электронного устройства нового поколения. В качестве жидкого металла исследователи использовали эвтектический сплав двух металлов ― индия и галлия.
«При комнатной температуре этот сплав жидкий, кристаллизуется при температуре ниже 16 градусов, ― поясняет Артемий Иванов. ― Наилучшей проводимостью среди жидких металлов обладает ртуть, но она токсична, поэтому нужен биосовместимый аналог. Сплав галлия и индия биосовместим, он не вызывает раздражения на коже и даже при проглатывании он не всасывается в кишечнике. В почках и печени не скапливается».
Само устройство представляет собой две капли сплава и кусочек гидрогеля, в котором находятся проводящие полиэлектролиты.
«Наш гель представляет собой две капли жидкого металла и гель между ними. При протекании между ними тока на границах между металлом и гелем образуется слой нерастворимых соединений галлия. В зависимости от толщины этого слоя мы можем получать различные электрические компоненты», ― говорит Артемий Иванов.
Таким образом ученым из Петербурга удалось получить резистор, конденсатор, диод и мемристор. Разница между ними заключается, в частности, в толщине слоя солей галлия на границе между гелем и каплями металла.
Самое важное, что ученые могут превращать один и тот же компонент в другие в зависимости от своих потребностей. Если слой соединений галлия будет очень тонкий, то получится конденсатор. Если его электрохимически нарастить ― то резистор или диод. Но самое важное, что если дать достаточно большой ток, то пленка вновь разрушится и элемент можно будет заново превратить в другое устройство.
«Вообще, аналоги гибких систем в том числе на основе жидкого металла существуют. Наше открытие заключается в том, что мы способны переключать эти поведения. До нас никто не мог показать, что в одном этом интерфейсе можно создавать разные компоненты, переключаться между ними», ― добавляет Артемий Иванов.
Сейчас ученые продемонстрировали работоспособность своей схемы в пробирке. Теперь им предстоит искать инженерное оформление своей разработки, чтобы ее можно было использовать при создании искусственных органов.
Авторы работы также добавляют, что биомедицинское применение ― хотя и основное, но не единственное. Также систему можно применять в различных гибких электронных устройствах, где не используются очень большие токи. Отдельные возможности дает получение мемристора ― электрического компонента, который способен запоминать свое сопротивление.
«Мемристоры ― это такой компонент, который может запоминать свое сопротивление, фактически на нем можно записывать информацию путем пропускания тока. Это достаточно ценный компонент. Собрав каскад гелевых элементов, можно собрать физическую имплементацию нейросети в водном растворе, создавать искусственные нейроны», ― заключает Артемий Иванов.
