Используя уникальные механические свойства гидрогелей, исследователи разработали «запорный механизм» для точного приведения в действие и перемещения свободно движущихся частей, который может выполнять такие функции, как клапаны, коллекторы, роторы, насосы и доставка лекарств. Они смогли настроить биоматериалы в широком диапазоне механических и диффузионных свойств и контролировать их после имплантации без постоянного источника питания, такого как токсичная батарея. Затем они протестировали доставку «полезной нагрузки» на модели рака кости и обнаружили, что запуск высвобождения доксорубицина из устройства в течение 10 дней показал высокую эффективность лечения и низкую токсичность при 1/10 стандартной системной дозы химиотерапии.
«В целом, наша платформа iMEMS позволяет разрабатывать биосовместимые имплантируемые микроустройства с широким спектром сложных движущихся компонентов, которыми можно управлять по беспроводной сети по запросу, и решает проблемы, связанные с питанием устройств и биосовместимостью», – говорит Сиа, также член Института науки о данных. «Мы очень рады этому, потому что нам удалось связать мир биоматериалов с миром сложных медицинских устройств.
Наша платформа имеет большое количество потенциальных приложений, включая систему доставки лекарств, продемонстрированную в нашей статье, которая связана с предоставлением индивидуальных доз лекарств для точной медицины."
Большинство современных имплантируемых микроустройств имеют статические компоненты, а не движущиеся части, и, поскольку для них требуются батареи или другая токсичная электроника, они имеют ограниченную биосовместимость.
Команда Sia более восьми лет работала над решением этой проблемы. «С гидрогелями сложно работать, поскольку они мягкие и несовместимы с традиционными методами обработки», – говорит Сау Инь Чин, ведущий автор исследования, работавший с Sia. «Мы настроили механические свойства и тщательно подобрали жесткость структур, которые контактируют друг с другом внутри устройства. Шестерни, которые блокируются, должны быть жесткими, чтобы обеспечивать передачу усилия и выдерживать многократное срабатывание. И наоборот, конструкции, образующие механизмы блокировки, должны быть мягкими и гибкими, чтобы шестерни могли проскальзывать по ним во время срабатывания, и в то же время они должны быть достаточно жесткими, чтобы удерживать шестерни на месте, когда устройство не приводится в действие. Мы также изучили диффузионные свойства гидрогелей, чтобы гарантировать, что загруженные лекарственные средства не легко диффундируют через слои гидрогеля."
Команда использовала свет для полимеризации листов геля и включила шаговую механизацию для управления осью z и создания структуры листов слой за слоем, придавая им трехмерность. Управление осью z позволило исследователям создавать композитные структуры в одном слое гидрогеля, контролируя толщину каждого слоя на протяжении всего процесса изготовления. Они смогли сложить несколько слоев, которые точно выровнены, и, поскольку они могли полимеризовать слой за раз, один сразу за другим, сложная структура была построена менее чем за 30 минут.
Технология iMEMS компании Sia решает несколько фундаментальных вопросов при создании биосовместимых микроприборов, микромашин и микророботов: как обеспечивать питание небольших роботизированных устройств без использования токсичных батарей, как создавать небольшие биосовместимые подвижные компоненты, не являющиеся кремниевыми и имеющими ограниченную биосовместимость, и как однажды обмениваться данными по беспроводной сети. имплантированный (радиочастотная микроэлектроника требует питания, она относительно велика и не является биосовместимой). Исследователи смогли запустить устройство iMEMS для высвобождения дополнительных полезных нагрузок в течение нескольких дней или недель после имплантации. Они также смогли добиться точного срабатывания за счет использования магнитных сил, вызывающих движения шестерен, которые, в свою очередь, изгибают структурные балки, сделанные из гидрогелей с легко настраиваемыми свойствами. (Магнитные частицы железа обычно используются и одобрены FDA для использования людьми в качестве контрастных агентов.)
В сотрудничестве с Фрэнсисом Ли, хирургом-ортопедом из Медицинского центра Колумбийского университета во время исследования, команда проверила систему доставки лекарств на мышах с раком костей. Система iMEMS доставляла химиотерапию рядом с раком и ограничивала рост опухоли, показывая меньшую токсичность, чем химиотерапия, проводимая по всему телу.
«Эти микромасштабные компоненты могут использоваться для микроэлектромеханических систем, для более крупных устройств, начиная от доставки лекарств и катетеров до кардиостимуляторов и мягкой робототехники», – отмечает Сиа. "Люди уже производят заменяющие ткани, и теперь мы можем создавать небольшие имплантируемые устройства, датчики или роботов, с которыми мы можем общаться по беспроводной сети. Наша система iMEMS может приблизить область разработки мягких миниатюрных роботов, которые могут безопасно взаимодействовать с людьми и другими живыми системами."