Cyborg-teknologi kunne muliggøre ny diagnostik, fusion af mennesker og AI

Selvom sande "cyborgs" - delvist er menneskelige, delvis robotvæsener - er science fiction, forskere tager skridt i retning af at integrere elektronik med kroppen. Sådanne enheder kunne overvåge for tumorudvikling eller stå i vejen for beskadiget væv. Men at forbinde elektronik direkte med menneskeligt væv i kroppen er en kæmpe udfordring. Nu, et team rapporterer om nye belægninger til komponenter, som kunne hjælpe dem lettere at passe ind i dette miljø.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Vi fik ideen til dette projekt, fordi vi prøvede at skabe en stiv grænseflade, uorganiske mikroelektroder med hjernen, men hjerner er lavet af organisk, saltet, levende materialer, " siger David Martin, Ph.D., der ledede undersøgelsen. "Det fungerede ikke godt, så vi tænkte, at der måtte være en bedre måde."

Traditionelle mikroelektroniske materialer, såsom silicium, guld, rustfrit stål og iridium, forårsage ardannelse ved implantation. Til applikationer i muskel- eller hjernevæv, elektriske signaler skal strømme for at de kan fungere korrekt, men ar afbryder denne aktivitet. Forskerne mente, at en belægning kunne hjælpe.

"Vi begyndte at se på organiske elektroniske materialer som konjugerede polymerer, der blev brugt i ikke-biologiske enheder, " siger Martin, der er på University of Delaware. "Vi fandt et kemisk stabilt eksempel, der blev solgt kommercielt som en antistatisk belægning til elektroniske skærme." Efter test, forskerne fandt ud af, at polymeren havde de nødvendige egenskaber til at forbinde hardware og menneskeligt væv.

"Disse konjugerede polymerer er elektrisk aktive, men de er også ionisk aktive, " siger Martin. "Modioner giver dem den ladning, de har brug for, så når de er i drift, både elektroner og ioner bevæger sig rundt." Polymeren, kendt som poly(3, 4-ethylendioxythiophen) eller PEDOT, dramatisk forbedret ydeevnen af ​​medicinske implantater ved at sænke deres impedans to til tre størrelsesordener, dermed øger signalkvaliteten og batterilevetiden hos patienter.

Martin har siden bestemt, hvordan polymeren skal specialiseres, sætte forskellige funktionelle grupper på PEDOT. Tilsætning af en carboxylsyre, aldehyd eller maleimid substituent til ethylendioxythiophen (EDOT) monomeren giver forskerne alsidighed til at skabe polymerer med en række funktioner.

"Maleimidet er særligt kraftfuldt, fordi vi kan lave klikkemisubstitutioner for at lave funktionaliserede polymerer og biopolymerer, " siger Martin. Blanding af usubstitueret monomer med den maleimid-substituerede version resulterer i et materiale med mange steder, hvor teamet kan vedhæfte peptider, antistoffer eller DNA. "Nævn dit yndlingsbiomolekyle, og du kan i princippet lave en PEDOT-film, der har den biofunktionelle gruppe, du måtte være interesseret i, " han siger.

Seneste, Martins gruppe skabte en PEDOT-film med et antistof for vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF) påsat. VEGF stimulerer blodkarvækst efter skade, og tumorer kaprer dette protein for at øge deres blodforsyning. Polymeren, som teamet udviklede, kunne fungere som en sensor til at detektere overekspression af VEGF og dermed tidlige stadier af sygdom, blandt andre potentielle applikationer.

Andre funktionaliserede polymerer har neurotransmittere på sig, og disse film kan hjælpe med at fornemme eller behandle lidelser i hjernen eller nervesystemet. Indtil nu, holdet har lavet en polymer med dopamin, som spiller en rolle i vanedannende adfærd, samt dopamin-funktionaliserede varianter af EDOT-monomeren. Martin siger, at disse biologisk-syntetiske hybridmaterialer en dag kan være nyttige til at fusionere kunstig intelligens med den menneskelige hjerne.

Ultimativt, Martin siger, hans drøm er at være i stand til at skræddersy, hvordan disse materialer aflejres på en overflade og derefter at sætte dem i væv i en levende organisme. "Evnen til at udføre polymeriseringen på en kontrolleret måde inde i en levende organisme ville være fascinerende."