Трибоэлектрическое устройство обходит поврежденные нервы, чтобы восстановить осязание

blank

Нервы, идущие от спинного мозга к коже, позволяют нам ощущать окружающий мир и взаимодействовать с ним посредством прикосновений. Но нет надежного способа восстановить тактильные ощущения при повреждении таких нервов. В новом исследовании ученые создали крошечные устройства, которые при имплантации под кожу используют электричество от тактильного давления для питания поврежденных нервов ( ACS Nano 2021, DOI: 10.1021 / acsnano.0c10141 ). Протестированные на животных, устройства восстанавливали чувство осязания после травмы.

Трение двух разных материалов друг о друга, например воздушного шара, о волосы вызывает трение, в результате которого два материала приобретают небольшой электрический заряд, явление, известное как трибоэлектрический эффект . За последнее десятилетие исследователи попытались использовать это электричество для создания устройств, называемых трибоэлектрическими наногенераторами или TENG, для зарядки сотовых телефонов, датчиков или другой электроники.

Бен М. Маоз, биомедицинский инженер из Тель-Авивского университета, который руководил новой работой, задался вопросом, может ли технология решить неприятную биомедицинскую проблему. Старый друг, Амир Арами, хирург руки в Медицинском центре Шиба и соавтор исследования, описал Маозу травмы, которые он наблюдал в клинике, и пожаловался на ограниченность инструментов, доступных для восстановления функции нервов. Маоз осознал, что TENG потенциально может обнаруживать тактильное давление на кожу и приводить в действие протез нерва.

Маоз и его коллеги создали TENG размером около 25 мм 2, сложив вместе два гибких и биосовместимых диэлектрических материала: целлюлозу и полидиметилсилоксан. Когда этот лист сжимается, трение между двумя материалами вызывает обмен электронами, создавая небольшое напряжение до 2 В. Тонкие слои золота выше и ниже этого сэндвича передают ток через провод к электроду-манжете, который оборачивается вокруг него. травмированный нерв чуть выше поврежденного участка, стимулируя его. «Грубо говоря, это обходной путь», — говорит Маоз.

Сначала исследователи показали, что устройство активирует сенсорные нейроны мыши в тарелке и что величина давления, оказываемого на TENG, линейно зависит от создаваемого им напряжения. Линейность означает, что электрический сигнал, который передает нерв, точно отражает тактильные ощущения. «Мозг адаптивен и может учиться, и эта линейность позволяет мозгу развивать способность восстанавливать чувствительность к различным силам», — объясняет Маоз.

Затем они перерезали сенсорный нерв в подушечке задней лапы крысы и имплантировали TENG, чтобы компенсировать потерю чувствительности, хирургически расположив манжету вокруг нерва. Используя испытание под давлением, исследователи обнаружили, что устройство восстанавливает способность животных реагировать на прикосновения.

В ходе испытаний вне тела они также обнаружили, что устройство продолжает работать после 500 000 касаний, что свидетельствует о его долговечности. Он и его коллеги планируют оптимизировать устройство и повторить исследование на большем количестве животных, прежде чем изучать его применение на людях. По словам Маоз, из-за дешевизны производства такой тактильный TENG может обеспечить широко доступное лечение для восстановления функции периферических нервов.

«В качестве первого шага это определенно здорово», — говорит Рамакришна Подила, физик из Университета Клемсона, изучающий технологии TENG. Однако он предупреждает, что его долговечность может быть снижена из-за свертывания крови и других биологических факторов.

Кроме того, по словам Подилы, одна проблема с устройствами TENG заключается в том, что трение, на которое они полагаются, может изменить шероховатость поверхности материалов, и действительно, исследователи сообщают, что целлюлоза стала более шероховатой по мере использования. Это, в свою очередь, может изменить величину напряжения, создаваемого данной интенсивностью прикосновения, делая связь между тактильным стимулом и нервной реакцией, которую он производит, непредсказуемой.

Поделиться

Источник