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 Иногда лучшая помощь природе — просто оставить ее в покое и не мешать. Британские экологи доказали, что заброшенная фермерская пашня способна без миллионных затрат и покупных семян превратиться в роскошный цветущий луг. Для этого потребовалось лишь 11 лет времени и обычный ежегодный покос травы.
Ни один регион на Земле не обладает стопроцентной устойчивостью ко всем возможным глобальным катастрофическим рискам. Тем не менее существует место, имеющее максимальный запас прочности в такой ситуации, — и это Австралия.
Ребенок легче взрослого, быстрее осваивается в новой обстановке и обладает пластичной нервной системой — значит, невесомость он перенесет проще. Это рассуждение звучит убедительно ровно до тех пор, пока ребенка считают уменьшенной копией взрослого. На самом деле его скелет еще набирает прочность, мышцы учатся работать вместе с нервной системой, вестибулярный аппарат настраивает ощущение положения тела, а органы и ткани проходят этапы, которые нельзя повторить после завершения роста. Если в этот период убрать постоянную нагрузку земного притяжения, организм будет не только приспосабливаться к новой среде: он станет формироваться внутри нее. Каким получится результат, медицина сегодня не знает: длительных орбитальных исследований с участием несовершеннолетних не проводилось.
Биологи провели молекулярный анализ тканей человеческого мозга и выяснили, что при тяжелой депрессии останавливается процесс образования новых нейронов. Открытие показало, что природа заболевания кроется не только в химическом дисбалансе нейромедиаторов, но и в физическом нарушении клеточного обновления гиппокампа.
Иногда лучшая помощь природе — просто оставить ее в покое и не мешать. Британские экологи доказали, что заброшенная фермерская пашня способна без миллионных затрат и покупных семян превратиться в роскошный цветущий луг. Для этого потребовалось лишь 11 лет времени и обычный ежегодный покос травы.
Приблизительно 130 миллионов лет назад, когда по земле бродили динозавры, какое-то млекопитающее пробежало по влажной песчаной дюне на территории современной южной части Бразилии. Размер оставленных этим древним существом следов поразил палеонтологов.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
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