Предложена «сладкая» подзарядка для нейроинтерфейсов
Ученые МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработали высокоэффективный биотопливный источник питания на основе глюкозы и многостенных углеродных нанотрубок для непрерывной работы нейроимплантов. Устройство продемонстрировало хорошие результаты работы на мозге крыс.
Исследование опубликовано в журнале IEEE. За последние десятилетия значительно продвинулись разработки в области активных имплантируемых медицинских устройств. Это открывает широкие перспективы для восстановления функций поврежденных органов, в том числе сердца и мозга. Однако основным недостатком традиционных устройств по-прежнему остается использование литий-ионных аккумуляторов в качестве источника питания. Эти батареи громоздки, состоят из токсичных материалов и требуют периодической замены путем хирургических вмешательств.
Ферментный биотопливный элемент (ФБТЭ) обещает стать технологическим прорывом в области энергоснабжения медицинских устройств. Сам элемент представляет собой электрогенератор, который постоянно вырабатывает энергию за счет ресурсов организма пациента. Усовершенствованные долгоживущие нейроинтерфейсы будут востребованы в области лечения нейродегенеративных и неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и последствия эпилепсии.
В своей повседневной деятельности организм человека производит несколько видов энергии: механическую (дыхание и сердцебиение, мышечное сокращение, артериальное давление), тепловую и биохимическую. Этим полезным свойством и пытаются воспользоваться ученые. Например, уже существуют устройства, работа которых основана на фотоэмиссионном эффекте (выработка электронов под действием света) или термоэлектрическом (преобразование разности температур в электрическое напряжение). Однако само преобразование такой энергии в организме человека до сих пор не является стабильным процессом.
В свою очередь ферментатный биотопливный элемент можно рассматривать как устройство, которое способно добиться стабильного преобразования химической энергии органических веществ в электричество путем окисления сахаров (глюкозы) из физиологических жидкостей.
Глюкоза широко распространена в организме и играет жизненно важную роль в качестве основного источника энергии. Ее концентрация поддерживается благодаря естественной саморегуляции — гомеостазу. Потребление глюкозы биотопливным элементом минимально и, следовательно, не влияет на гомеостаз. Эти свойства дают возможность для создания устройств пожизненной имплантации.
«Новаторство нашей работы в том, что мы разработали способ, при котором стало возможным обеспечить производство электричества внутри организма за счёт окисления органических веществ, а именно глюкозы. Это позволит устанавливать нейроимпланты с естественным генератором энергии вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов, которые склонны разряжаться и требуют замены каждые 5–10 лет. Биотопливный элемент подходит и для кардиостимулятора, и нейростимулятора, имплантов для восстановления слуха. У него максимально широкое применение. Кроме того, в нашем исследовании был предложен способ, при котором можно питать нейроимпланты благодаря глюкозе, которая находится в ликворе — спинномозговой жидкости. Пока мы провели серию успешных испытаний на крысах, что открывает возможность для будущих испытаний на более крупных млекопитающих», — рассказала о работе Екатерина Вахницкая, магистрантка МФТИ.
Биотопливный элемент весьма компактен и состоит из двух микроэлектродов. На аноде фермент расщепляет глюкозу с образованием протонов и электронов. На катоде происходит реакция восстановления кислорода при участии протонов, проходящих через электролит, и электронов, которые протекают через внешнюю электрическую цепь.
Первоочередная задача ученых — добиться высокой эффективности электродов, которые влияют на эффективность происходящей окислительно-восстановительной реакции. Для ее решения были использованы новые композитные материалы, в том числе многостенные углеродные нанотрубки, которые создаются из свернутых слоев атомов углерода в виде полых цилиндрических структур.
Екатерина отметила, что композитный материал, который состоит из последовательно нанесенных компонентов, позволяет добиться заданных свойств для анода. Например, углеродные нанотрубки обеспечивают увеличение площади поверхности и электропроводимости. За счет их применения можно адсорбировать и иммобилизовать больше фермента, а значит, получить более мощное устройство.
«Для бесперебойной работы нейроимплантов мы создали композитный анод. Самая большая проблема, препятствующая выработке энергии в организме, — это иммобилизация фермента. Композитный анод способен предотвратить диффузию фермента в окружающую жидкость: в кровь и ликвор. По сути, он удерживает их на аноде благодаря различным компонентам — полимерам, углеродным материалам. Для подтверждения нашей гипотезы мы провели серию измерений, которые показали, что мощность элемента не меняется, а значит, фермент остается иммобилизован на аноде», — подчеркнула Екатерина Вахницкая.
Разработчики отмечают, что для изготовления мощного биотопливного элемента важно учитывать такие значения, как выходное напряжение и удельную мощность, которые являются наиболее важными характеристиками источника питания.
В ходе экспериментальной работы на мозге крыс электроды были успешно имплантированы и проведены электрохимические измерения. Биотопливный элемент обеспечивал максимальную удельную мощность 51,8 мВт/см2 и максимальный потенциал открытой цепи 200 мВ. Эти результаты демонстрируют потенциальные возможности имплантации устройства в качестве долговременного источника питания для нейростимуляторов, а применение электропроводящих углеродных наноматериалов —одним из наиболее перспективных подходов для их производства.
Telegram 
Дзен 
VK Американские биотехнологи впервые сообщили об обращении вспять клеточного старения в живых клетках печени человека — не мышиных, не синтетических, а именно человеческих. На волне этого результата компания привлекла 435 миллионов долларов и готовится к клиническим испытаниям.
Может ли человек или другое животное воспользоваться преимуществами сна, не смыкая глаз? Этим вопросом задалась команда американских нейробиологов. Они провели эксперимент на грызунах и выяснили, что «включения и выключения» нейронной активности в коре бодрствующих мышей позволяют вызвать некоторые эффекты, аналогичные тем, которые появляются во время фазы медленного сна. Более того, такой подход помог добиться улучшения памяти. Теперь ученые хотят повторить эксперимент на людях.
Спортивная добавка, знакомая каждому второму посетителю тренажерного зала, оказалась неожиданно важной для противоопухолевого иммунитета. Американские ученые выяснили, что иммунные клетки внутри опухоли активно поглощают креатин и без него теряют способность бороться с раком.
В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Астрономы провели длительную радиодиагностику межзвездного объекта 3I/ATLAS и не нашли признаков искусственных технологий. Наблюдение окончательно подтвердило естественную природу ледяного тела, хотя ученые изначально не ожидали сенсации.
Роль личности в истории чаще всего иллюстрируют правителями или полководцами. Но, глядя на современную карту мира, нельзя не признать: она выглядела бы принципиально иначе, если бы не одна крестьянская девушка, которую сожгли в этот день ровно 595 лет назад.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно