Подкожен имплант, вдъхновен от оригами, следи здравето

Изследователите от Imperial College London и Университета на Южна Калифорния създават импланта MiFi (Minimally Invasive Foldable bioelectronic implant или минимално инвазивен сгъваем биоелектронен имплант), вдъхновен от японското изкуство оригами, който се поставя под кожата през миниатюрен разрез и едва тогава се разгръща в пълната си форма. Един от авторите на подкожния имплант проф. Фират Гюдер казва, че това е първият сензор от този вид. Оказва се, че начинът да бъде намален размерът на медицинското изделие не е то да се свие, а да се сгъне. И точно тук в помощ на изследователите идва оригами – изкуството да вдъхнеш душа на лист хартия като го сгънеш и да родиш триизмерен свят от пустотата на плоския хартиен лист.

Да сгънеш, а не да свиеш

Лекари и учени от години искат да има сензори, които следят непрекъснато здравословното състояние на човека при това без да е нужна сериозна хирургическа намеса или много оборудване отвън. А това представлява голямо инженерно предизвикателство, тъй като устройството трябва да е достатъчно малко, за да бъде поставено без хирургическа намеса, а в същото време достатъчно голямо, за да може на него да бъдат разположени електронни схеми и множество сензори.

Създаденият от британските и американски учени биоелектронен имплант бяга от това по един необичаен начин – просто променя формата си.

Усилията да бъде намалена инвазивността на имплантите винаги са насочени към възможността компонентите им да бъдат колкото е възможно по-миниатюрни. В същото време сензорите и електрониката имат нужда от физическо пространство, което от друга страна е ограничено в човешките тела. Това е причината екипът да избере различен подход. А той е, че вместо да принуждават импланта да не се променя и остане малък след поставянето му, изследователите го проектират така, че временно да се сгъва.

Преди да бъде имплантирано, устройството се сгъва с помощта на вдъхновени от оригами модели, които намаляват драстично неговия отпечатък и му позволяват да премине през много по-малък разрез. След като попадне под кожата, MiFi се разгъва в квадрат с размер около 2,1 на 2,1 сантиметра и дебелина от 0,3 милиметра. На него има достатъчно място за антени, сензори и електронни схеми, а в същото време процедурата по имплантирането е минимално инвазивна.

Ключовата иновация е, че размерът на устройството при поставяне вече не е същият като работния му размер. И това е така, защото конвенционалните имплантируеми сензори често стават по-големи с добавянето на повече функции, което прави имплантирането по-инвазивно. Това че се сгъва, прави възможно мястото, което имплантът заема, да бъде намалено шест пъти.

Не по-малко важно е и това, че MiFi се захранва чрез комуникация в близко поле или безжична технология с малък обхват, която се използва и при безконтактни карти и плащания със смартфони. Близък външен четец генерира електромагнитното поле, нужно за захранване на импланта като същата безжична връзка пренася измерванията от устройството към външния компютър.

Как работи MiFi 

Екипът разработва конфигурации, които измерват сърдечната честота и дишането, температурата, киселинността на тъканите и нивата на литий. Сензорът за литий проследява литиевите йони в течността около клетките и показва как MiFi може да наблюдава лекарства като литий, който има тесен безопасен диапазон и при по-високи нива става токсичен.

Химическото отчитане е важна част от експеримента, тъй като MiFi е в директен контакт с течността, която обгражда клетките в тялото. Може да измерва молекули, които е трудно или невъзможно да бъда бъдат открити в потта. Това позволява да бъде използван, за да позволи наблюдение в реално време на химични маркери, например, метаболити, ензими, лекарства, антибиотици, които не могат да бъдат надеждно открити в потта.

„Идеалното имплантируемо биоелектронно сензорно устройство трябва да има преходна геометрия: имплантът трябва да бъде възможно най-малък по време на поставянето, за да се намали инвазивността, и да бъде голям, когато е нужно след това“, пишат изследователите в статия, публикувана в списанието Advanced Materials.

Опитите

За да оценят технологията, изследователите имплантират MiFi под кожата на плъхове и в тъканни проби и сравняват измерванията, които той прави, с тези от други сензори, прикрепени към кожата на животни.

Оценката на импланта за сърдечната и честотата на дишане и за температурата следват точно същите, които са получени от външната система за наблюдение. Отделно изследователите демонстрират електрохимично измерване чрез наблюдение на pH и промените в концентрацията на литий.

Тестовете in vivo са върху анестезирани плъхове, а продължителността на записа е 60 минути. Времето е достатъчно, казват учените, за да се демонстрира, че механизмът за сгъване и безжичната електроника работят под кожата, но не стига, за да бъде установена дългосрочната безопасност и надеждност.

Затова MiFi все още не готов за употреба при хора. Едва когато електрониката и капсулиращите материали минат тестовете, че издържат на многократно движение и продължително излагане на телесни течности и бъдат решени предизвикателства като стерилността и поставянето на четеца и безопасното му отстраняване, ще започне и изпитването върху хора.

Проф. Фират Гюдер смята, че подходът на екипа е в състояние да осигури наблюдение на много нива чрез бързо въвеждане в тялото и без нуждата да има шевове. Това е сериозно предимство, особено когато става дума за бъдещето на персонализираното здравеопазване.