Напечатанное «бионическое» ухо объединяет электронику и биологию

Ученые из Принстонского университета использовали доступные технологии печати, чтобы создать функциональное ухо, способное «слышать» радиочастоты, далеко выходящие за пределы обычных возможностей человека.

Основной целью исследователей было найти эффективный и универсальный способ слияния электроники с живой тканью. Они использовали 3D-печать клеток и наночастиц с последующим культивированием клеток, чтобы объединить небольшую катушку антенны с хрящом, создав так называемое бионическое ухо.

«В целом, при соединении электронных материалов с биологическими возникают механические и термические сложности, — сказал Майкл МакАлпайн, ведущий исследователь. — Однако наша работа предлагает новый подход — создавать и выращивать биологию вместе с электроникой синергетически и в трехмерном переплетенном формате».

Это первый проект команды по созданию полностью функционального органа, который не только воспроизводит человеческую способность, но и расширяет её с помощью встроенной электроники.

«Конструирование и создание бионических органов и устройств, расширяющих человеческие возможности, известное как кибернетика, вызывает растущий научный интерес, — написали исследователи в статье в журнале Nano Letters. — Эта область может привести к созданию индивидуальных запасных частей для человеческого тела или даже органов с возможностями, выходящими за рамки обычной биологии».

Обычная тканевая инженерия предполагает нанесение клеток (например, формирующих ушной хрящ) на полимерный каркас-гидрогель. Однако эта техника плохо воспроизводит сложные трехмерные биологические структуры. Реконструкция уха «остается одной из самых сложных проблем в области пластической и реконструктивной хирургии».

Для решения проблемы команда использовала 3D-печать. Это первый случай, когда исследователи показали, что 3D-печать — удобная стратегия для переплетения ткани с электроникой.

Метод позволил объединить антенну с тканью в рамках сложной топологии человеческого уха. Исследователи использовали обычный 3D-принтер для комбинации матрицы из гидрогеля и клеток теленка с наночастицами серебра, формирующими антенну. Клетки теленка позже развились в хрящ.

«Аддитивное производство открывает новые пути для интеграции электроники с биологической тканью и делает возможным создание истинно бионических органов по форме и функциям», — сказал Ману Маннур, ведущий автор статьи.

Готовое ухо состоит из спиральной антенны внутри структуры хряща. Два провода ведут от основания уха и обвивают спиральную «улитку» — часть уха, воспринимающую звук, — которая может соединяться с электродами. Хотя для применения технологии на пациентах потребуются дальнейшая работа и тесты, в принципе такое ухо можно использовать для восстановления или улучшения слуха. Электрические сигналы от уха можно было бы подключить к нервным окончаниям пациента.

В текущей системе ухо принимает радиоволны, но команда планирует добавить другие материалы, например, датчики давления, чтобы ухо могло регистрировать акустические звуки.