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».
Жидкий металл
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.
Универсальный элемент
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.
Планы
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.
Статья: Artemii S. Ivanov, Konstantin G. Nikolaev, Alexander S. Novikov, Stanislav O. Yurchenko, Kostya S. Novoselov, Daria V. Andreeva and Ekaterina V. Skorb. «Programmable Soft-Matter Electronics», Phys. Chem. Lett. 2021, doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c00007
