Udskrivbare bioniske øre blander elektronik og biologi

Forskere ved Princeton University brugte off-the-shelf printværktøjer til at skabe et funktionelt øre, der kan "høre" radiofrekvenser langt ud over den normale menneskelige evne.

Forskernes primære formål var at udforske et effektivt og alsidigt middel til at fusionere elektronik med væv. Forskerne brugte 3D-print af celler og nanopartikler efterfulgt af cellekultur til at kombinere en lille spoleantenne med brusk, skabe, hvad de kalder et bionisk øre.

"Generelt, der er mekaniske og termiske udfordringer med at forbinde elektroniske materialer med biologiske materialer, " sagde Michael McAlpine, en assisterende professor i mekanik og rumfartsteknik ved Princeton og den ledende forsker. "Tidligere forskere har foreslået nogle strategier til at skræddersy elektronikken, så denne fusion bliver mindre akavet. Det sker typisk mellem et 2D-ark af elektronik og en overflade af vævet. Imidlertid, vores arbejde foreslår en ny tilgang - at bygge og vokse biologien op med elektronikken synergistisk og i et 3D-sammenvævet format."

McAlpines team har gjort adskillige fremskridt i de seneste år, der involverer brugen af ​​små medicinske sensorer og antenner. Sidste år, en forskningsindsats ledet af McAlpine og Naveen Verma, en adjunkt i elektroteknik, og Fio Omenetto fra Tufts University, resulteret i udviklingen af ​​en "tatovering" bestående af en biologisk sensor og antenne, der kan fastgøres til overfladen af ​​en tand.

Dette projekt, imidlertid, er holdets første indsats for at skabe et fuldt funktionelt organ:et, der ikke kun replikerer en menneskelig evne, men udvider den ved hjælp af indlejret elektronik

"Designet og implementeringen af ​​bioniske organer og enheder, der forbedrer menneskelige evner, kendt som kybernetik, har været et område med stigende videnskabelig interesse, " skrev forskerne i artiklen, som vises i det videnskabelige tidsskrift Nano bogstaver . "Dette felt har potentialet til at generere skræddersyede reservedele til den menneskelige krop, eller endda skabe organer, der indeholder egenskaber ud over, hvad menneskelig biologi normalt giver."

Standard vævsteknik involverer podning af typer af celler, såsom dem, der danner ørebrusk, på et stillads af et polymermateriale kaldet en hydrogel. Imidlertid, forskerne sagde, at denne teknik har problemer med at replikere komplicerede tredimensionelle biologiske strukturer. Ørekonstruktion "forbliver et af de sværeste problemer inden for plastik og rekonstruktiv kirurgi, " skrev de.

For at løse problemet, holdet vendte sig til en produktionstilgang kaldet 3D-print. Disse printere bruger computerstøttet design til at opfatte objekter som rækker af tynde skiver. Printeren afsætter derefter lag af en række forskellige materialer - lige fra plastik til celler - for at opbygge et færdigt produkt. Fortalere siger, at additiv fremstilling lover at revolutionere hjemmeindustrien ved at tillade små teams eller enkeltpersoner at skabe arbejde, som tidligere kun kunne udføres af fabrikker.

At skabe organer ved hjælp af 3D-printere er et nyligt fremskridt; flere grupper har rapporteret, at de har brugt teknologien til dette formål i de sidste par måneder. Men det er første gang, at forskere har påvist, at 3D-print er en bekvem strategi til at sammenvæve væv med elektronik.

Teknikken gjorde det muligt for forskerne at kombinere antenneelektronikken med væv inden for den meget komplekse topologi af et menneskeligt øre. Forskerne brugte en almindelig 3D-printer til at kombinere en matrix af hydrogel- og kalveceller med sølvnanopartikler, der danner en antenne. Kalvecellerne udvikler sig senere til brusk.

Manu Mannoor, en kandidatstuderende i McAlpines laboratorium og avisens hovedforfatter, sagde, at additiv fremstilling åbner nye måder at tænke på integration af elektronik med biologisk væv og gør det muligt at skabe ægte bioniske organer i form og funktion. Han sagde, at det kan være muligt at integrere sensorer i en række biologiske væv, for eksempel, at overvåge stress på en patients knæ menisk.

David Gracias, en lektor ved Johns Hopkins og medforfatter på publikationen, sagde, at bygge bro mellem biologi og elektronik repræsenterer en formidabel udfordring, der skal overvindes for at muliggøre skabelsen af ​​smarte proteser og implantater.

"Biologiske strukturer er bløde og squishy, består hovedsageligt af vand og organiske molekyler, mens konventionelle elektroniske enheder er hårde og tørre, består hovedsagelig af metaller, halvledere og uorganiske dielektrika, " sagde han. "Forskellene i fysiske og kemiske egenskaber mellem disse to materialeklasser kunne ikke være mere udtalte."

Det færdige øre består af en oprullet antenne inde i en bruskstruktur. To ledninger fører fra bunden af ​​øret og snor sig rundt om en spiralformet "cochlea" - den del af øret, der registrerer lyd - som kan forbindes til elektroder. Selvom McAlpine advarer om, at yderligere arbejde og omfattende test skal udføres, før teknologien kan bruges på en patient, han sagde, at øret i princippet kunne bruges til at genoprette eller forbedre menneskelig hørelse. Han sagde, at elektriske signaler produceret af øret kunne forbindes med en patients nerveender, ligner et høreapparat. Det nuværende system modtager radiobølger, men han sagde, at forskerholdet planlægger at inkorporere andre materialer, såsom trykfølsomme elektroniske sensorer, for at sætte øret i stand til at registrere akustiske lyde.

Ud over McAlpine, Verma, Mannoor og Gracias forskerholdet omfatter:Winston Soboyejo, en professor i mekanisk og rumfartsteknik ved Princeton; Karen Malatesta, en fakultetsstipendiat i molekylærbiologi ved Princeton; Yong Lin Kong, en kandidatstuderende i mekanisk og rumfartsteknik ved Princeton; og Teena James, en kandidatstuderende i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Johns Hopkins.

Holdet inkluderede også Ziwen Jiang, en gymnasieelev på Peddie School i Hightstown, der deltog som en del af et opsøgende program for unge forskere i McAlpines laboratorium.

"Ziwen Jiang er en af ​​de mest spektakulære gymnasieelever, jeg nogensinde har set, " sagde McAlpine. "Vi ville ikke have været i stand til at fuldføre dette projekt uden ham, især i hans evne til at mestre CAD-design af bioniske ører."