«Инъекционная электроника» — возможно ли это на самом деле?
Не слишком ли велики электронные структуры, не помещаются ли они в шприце и не приживаются в нашем кровотоке? Тем более, что к вам это не относится, так зачем заморачиваться.
В 2013 году доктор Идо Бачелет представил на выставке TEDMED в Израиле свой восторженный взгляд на технологию наноботов в медицине. Он разработал наноботов в сотрудничестве с Шоном Дугласом, доцентом UCSF, в 2010 году.
На выступлении на TEDMED Идо держит в руках шприц, который он привез из своей лаборатории, наполненный «1000 миллиардами роботов», каждый длиной 50 нанометров.
Долгосрочные последствия циркуляции таких искусственных структур в организме остаются в значительной степени неизвестными, но, по его словам, есть и хорошие новости:
«Как только эти наноботы завершают свою работу, они просто распадаются и исчезают из вашего кровотока на следующий день».
Вот что говорил д-р Бачелет:
Действительно, странно, что я нахожу все больше и больше этих наноботов, которые не исчезают из кровотока моих пациентов. Почему? Какую работу им еще нужно выполнить? Кто отдавал им приказы? Мы дали им разрешение?
Как такая технология возможна?
Создать наноботов относительно просто: базовая молекула — это ДНК, и каждая часть нанобота состоит из молекул ДНК.
16 марта 2006 года профессор биоинженерии, вычислительной техники и математических наук, вычислительных и нейронных систем Пол Ротмунд опубликовал статью в журнале Nature, в которой подробно описал свой новый метод складывания ДНК в формы и узоры в масштабе нескольких нанометров, называемый ДНК-оригами.
Это изобретение оказало заметное влияние на исследования в области молекулярной нанотехнологии.
«Изготовление снизу вверх», при котором используются внутренние свойства атомов и молекул для управления их самоорганизацией, широко применяется для создания относительно простых наноструктур. Ключевая цель этого подхода — создание наноструктур высокой сложности, сопоставимых с теми, которые обычно создаются методами «сверху вниз».
Самоорганизация молекул ДНК представляет собой привлекательный путь к достижению этой цели. Здесь я описываю простой метод сворачивания длинных одноцепочечных молекул ДНК в произвольные двумерные формы.
Для создания желаемой формы используется растровое заполнение формы одноцепочечным каркасом длиной 7 килобаз и выбор более 200 коротких олигонуклеотидных «скрепляющих нитей» для фиксации каркаса.
Далее в работе сказано:
После синтеза и смешивания скрепляющие нити и нити каркаса самособираются за один этап. Полученные структуры ДНК имеют диаметр около 100 нм и приблизительно соответствуют желаемым формам, таким как квадраты, диски и пятиконечные звёзды, с пространственным разрешением 6 нм.
Поскольку каждый олигонуклеотид может служить пикселем размером 6 нм, структуры можно запрограммировать так, чтобы на их поверхности отображались сложные узоры, например слова и изображения.
Наконец, отдельные структуры ДНК можно запрограммировать на формирование более крупных соединений, в том числе расширенных периодических решёток и гексамера из треугольников (который представляет собой молекулярный комплекс массой 30 мегадальтон).
Наноботы могут быть запрограммированы на выполнение определенных функций и взаимодействие с клетками-мишенями и тканями, такими как рак.
Он может считывать молекулярные очереди из окружающей среды и может включаться/выключаться и высвобождать свою полезную нагрузку, которая в противном случае могла бы быть токсичной без точной доставки к частям нашего тела.
Наноботов можно научить вести себя роем, подобно муравьям, тянуться друг к другу и образовывать физические мосты, простирающиеся от одной части к другой части спинного мозга, например, чтобы стимулировать и направлять рост клеток вдоль его моста.
Все эти достижения в области технологий звучат очень многообещающе.
Наноботы также могут перекрестно регулировать друг друга для комбинированной терапии, обеспечивая временное высвобождение своей полезной нагрузки.
Кроме того, определение кворума с поведением в бактериальном стиле позволяет им включаться одновременно, как только они достигают определенного размера.
Неудивительно, что наноботы также могут заниматься вычислениями — быть настоящими биокомпьютерами.
Их возможности в 2013 году уже были на уровне 8-битного процессора, как у Commodore 64. Нетрудно представить, насколько мощными могут быть эти наноботы спустя 12 лет.
Может ли быть так, что в наших телах есть мощный суперкомпьютер, который самоорганизуется?
Наконец, чтобы поддерживать контроль над наноботами, некоторые из них имеют антенну, сделанную из металлических наночастиц. Антенна позволяет нанороботам реагировать на внешние сигналы, а также активироваться и управляться извне с помощью джойстика или Xbox или Wii.
Технология инъекционной электроники
Технология инъекционной электроники с помощью шприцев достигла огромного прогресса и имитирует даже ткани и характеристики нашего тела.
Еще один пример усовершенствованной инжекционной электроники представлен в этой статье ACS от 2015 года:
Инъекционная сетчатая электроника обладает тканевыми механическими свойствами и макропористыми структурами, которые могут быть использованы для картирования и модуляции активности мозга.
Инъекционная сетчатая электроника с механическими свойствами, подобными свойствам тканей, и открытыми макропористыми структурами — это новая мощная парадигма для картирования и модуляции активности мозга.
Действительно, ультрагибкая макропористая структура продемонстрировала беспрецедентную минимальную/неинвазивную эффективность и способствовала привлекательному взаимодействию с нейронами в ходе хронических исследований.
Эти же структурные особенности создают новые проблемы и возможности для точной адресной доставки в определённые области мозга и количественной связи ввода/вывода (I/O), необходимой для надёжных электрических измерений.
Здесь мы описываем новые результаты, которые позволяют гибко решать обе эти задачи.
Во-первых, мы разработали метод контролируемой инъекции, который позволяет сохранять расширенную структуру сетки во время «слепой» инъекции, а также обеспечивает целенаправленную доставку с точностью до 20 мкм.
Результаты оптической и микрокомпьютерной томографии, полученные при инъекциях в тканеподобный гидрогель, мозговую ткань ex vivo и мозг in vivo, подтверждают наш базовый подход и демонстрируют его универсальность.
Во-вторых, мы представляем общую стратегию для достижения 100-процентной многоканальной связи ввода-вывода с помощью автоматизированной технологии печати проводящими чернилами для подключения сетчатой электроники и гибкого плоского кабеля, который служит стандартным «подключаемым» интерфейсом для измерительной электроники.
Исследования зависимости сопротивления от ширины печатной линии были использованы для определения оптимальных условий, и, кроме того, измерения частотно-зависимого шума показали, что процесс гибкой печати позволяет получать значения, сопоставимые с коммерческой технологией склеивания.
Наши результаты решают две ключевые проблемы, с которыми сталкивается электроника, вводимая с помощью шприца, и тем самым открывают путь к простому применению вводимой сетчатой электроники в естественных условиях в качестве универсального и мощного инструмента для долгосрочного картирования и модуляции активности мозга в фундаментальных нейробиологических исследованиях с помощью терапевтических биомедицинских методов.
Сверхгибкие макропористые структуры продемонстрировали минимальную/неинвазивную способность и способствовали привлекательному взаимодействию с нейронами.
Его можно использовать для точной адресной доставки в определенные области мозга и количественного подключения ввода/вывода (I/O), необходимого для надежных электрических измерений.
Этот тип технологии вводится с помощью шприц-инъекционной электроники и является общим и мощным инструментом для долгосрочного картирования и модуляции мозговой активности в фундаментальной нейронауке посредством терапевтических биомедицинских исследований.
Что вам это напоминает?
Основная проблема использования высокогибких материалов для исследований in vivo была сосредоточена на разработке эффективных входных/выходных соединений (I/O) с внешним интерфейсом с высокой производительностью, низким сопротивлением связыванию и долгосрочной стабильностью.
Как эти материалы могут соединяться с нашими нейронами и производить надежный долгосрочный сигнал?
Решение представляет собой очень гибкую, двустороннюю металлическую площадку ввода-вывода наноразмерной толщины, которая может деформироваться и контактировать со стандартными интерфейсными кабелями с высокой производительностью и долговременной электрической стабильностью.
Еще одна интересная работа
Наносопряжение с прямым контактом шприцевой сетчатой электроники
Электроника на основе полимеров с низкой жёсткостью на изгиб и высокой гибкостью, в том числе недавно представленная макропористая сетчатая электроника, вводимая с помощью шприца, показала значительные перспективы для хронических исследований нейронных связей в мозге живых животных.
Основная задача при использовании этих высокогибких материалов для исследований in vivo заключается в разработке эффективных соединений ввода-вывода (I/O) с внешним интерфейсом с высокой производительностью, низким сопротивлением и долгосрочной стабильностью.
Здесь мы сообщаем о новой парадигме, применяемой в сложном случае с инжекционной сетчатой электроникой, которая использует высокую гибкость двусторонних металлических контактных площадок наноразмерной толщины, способных деформироваться и контактировать со стандартными интерфейсными кабелями с высокой производительностью и долгосрочной электрической стабильностью.
Во-первых, мы описываем конструкцию и простое изготовление двусторонних металлических контактных площадок, которые обеспечивают контакт независимо от ориентации зонда.
Во-вторых, систематические исследования контактного сопротивления в зависимости от конструкции и механических свойств контактных площадок демонстрируют ключевую роль жёсткости контактных площадок при изгибе в достижении стабильных контактов с низким сопротивлением.
Кроме того, вычислительные исследования позволяют сформулировать правила проектирования для достижения высокой эффективности мультиплексного контактного соединения в случае углового смещения, при котором соседние каналы не замыкаются.
В-третьих, измерение 32-канальных сетчатых электронных датчиков, соединённых с интерфейсными кабелями методом прямого контакта, показывает воспроизводимо высокую эффективность электрического соединения.
Наконец, эксперименты in vivo с 32-канальными сетчатыми электронными датчиками, имплантированными в живых мышей, демонстрируют долговременную стабильность интерфейса прямого контакта, что позволяет стабильно отслеживать активность отдельных нейронов в течение как минимум 2 месяцев без потери записи по каналам.
Методика прямого контактного интерфейса открывает путь к масштабируемым долгосрочным подключениям мультиплексных сетчатых электронных нейронных датчиков для записи и модуляции нейронной активности и, более того, может использоваться для масштабируемого подключения других гибких электронных устройств в биологических исследованиях и терапевтических целях.
Чтобы доказать жизнеспособность своего подхода, исследователи провели эксперименты in vivo с 32-канальными ячеистыми электронными зондами, имплантированными живым мышам, чтобы продемонстрировать хроническую стабильность прямого контактного интерфейса, позволяющую последовательно отслеживать одиночную нейронную активность в течение как минимум 2 месяцев без потери записи канала.
Инъекционная электроника – это сегодняшняя реальность – независимо от того, действительно ли вам сделали инъекцию, вдохнули или проглотили ее – эта электроника может самособираться, прикрепляться, чувствовать, вмешиваться, вычислять и изменять функции вашего тела автономно или дистанционно, и она уже находится в вашем теле.
В 2015 году компания Pfizer объявила о сотрудничестве с лабораторией ДНК-роботов профессора Идо Бачелет в Университете Бар-Илан.
Неясно, к чему привело это сотрудничество, но мы наблюдаем за теми возможностями наноботов, над которыми доктор Идо Бачелет работал в течение последних 15 лет, в своих наблюдениях с помощью микроскопии темного поля.
Источник: д-р Ана Михалча и д-р Раду Делакруа
