CC BY
4ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПРОТОТИПА БИОГИБРИДНОГО НЕЙРОИНТЕРФЕЙСА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИМЕРА И КЛЕТОЧНЫХ СФЕРОИДОВ
DOI
Жирнов С. В.1, Каршиева С. Ш.Тунеков Т. А.1, Илясов А. Р.13
1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Москва, Россия,
2 ФГБУ НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина, Москва, Россия,
3 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия, e-mail: m2003800@edu.misis.ru
Аннотация.. В разработке материалов и дизайна инвазивных нейро-интерфейсов сущетсвуют два тренда — миниатюризация и использование мягких токопроводящих материалов. Мы демонстрируем способ синтеза токопроводящего материала на основе полидиметилсилоксана и графена, и метод фабрикации микроэлектродной матрицы с интегрированными клеточными сфероидами на его основе.
Ключевые слова: нейроинтерфейсы, композиционные материалы, микроэлектродные матрицы, клеточные сфероиды.
Современные инвазивные нейроинтерфейсы имеют ряд проблем: низкая биосовместимость из-за использования материалов, сильно отличающихся по своим физическим свойствам от нервной ткани, и, как следствие, невозможность длительной эксплуатации без критического падения разрешения из-за развития реакции отторжения; низкая надежность наиболее популярных тонкопленочных электродных систем, чему способствует сложный многоэтапный процесс их изготовления; высокий риск нанесения травмы при установке нейроинтерфейса и невозможность его обслуживания в случае повреждения.
Альтернативным подходом, активно обсуждаемым в последнее время в литературе, являются биогибридные системы — так называемые «живые электроды», — использующие биологические компоненты в качестве инженерной составляющей, призванной улучшить и даже вывести биосовместимость нейроинтерфейсов на новый уровень, недоступный для классических систем. В та-
ких биогибридных системах клетки могут играть различную роль, от покрытия для улучшения клеточной адгезии [1] или мишени для реиннервации [2] до функциональных «живых электродов», управляемых путем фотостимуляции [3]. Биогирибные системы позволяют проектировать микроэлектродные матрицы, которые могут не учитывать особенности ткани, в или на которую они будут имплантированы, оставляя эту задачу биологической компоненте.
Однако, биогибридный подход часто используется только для компенсации недостатков классических тонкопленочных нейро-интерфейсов. В нашей работе мы демонстрируем синтез материала и процесс изготовления композиционной 3D-микроэлектродной матрицы, механические свойства которой близки к свойствам нервной ткани.
Материалы на основе наноструктурированных форм углерода, таких как углеродные нанотрубки [4], графит [5], графен и оксид гра-фена [6], были широко исследованы в качестве проводящих материалов микроэлектродных матриц. Их низкое, по сравнению с проводящими полимерами, сопротивление, стойкость к оксилению в условия организма и низкая себестоимость привлекли внимание к разработке имплантируемых нейроинтерфейсов с их использование [7]. При этом углеродные нанотрубки и графен имеют наибольшую теоретическую проводимость в чистом виде, однако графен проявляет меньшую токсичность как in vitro, так и in vivo [8] [9].
Мы демонстрируем метод синтеза композиционного проводящего материала на основе дисперсного графена и полидиметилсилокса-на, а также метод формирования 3D-микроэлектродных матриц.
Дисперсный графен (порядка 100 атомных слоев в листе) был предоставлен ООО «РУСГРАФЕН» и использовался в исходном виде. Полидиметилсилоксан в виде двухкомпонентного компаунда (форполимер и катализатор) был закуплен в ГНЦ РФ АО «ГНИИХ-ТЭОС», марка СИЭЛ 159—254.
Синтез композиционного состава был проведен в три стадии. В первую очередь мы провели ультразвуковую обработку (Bandelin SONOPULS HD 2200, зонд TT 13) порошка графена в растворе гек-сана и оленионовой кислоты (1/20/1 по массе) в течение 30 минут. Олеионовая кислота была использована в качестве детергента для предотвращения агрегации частиц графена в процессе синтеза. Вторым этапом был подготовлен раствор полидеметилсилоксана (1/10 катализатор/формполимер) в гексане (1/20 по объему), после чего он был смешан с раствором диспергированного графена в те-
чение одного часа на магнитной мешалке. На третьем этапе раствор был перемещен в выпариваетельный сосуд, после чего осажден при нагреве (50 С, 90 мин) до состояния вязкой пасты. Мы установили порог перколяции для данного композита между 8 и 10 массовыми процентами наполнения графеном.
Для формирования структуры чипа мы использовали негативные литьевые формы, полученные лазерной обработкой (Avesta, 1030 нм, фемтосекундный лазер) фоторопластовых пленок по заданному шаблону. Композиционная паста была вручную зашлифована в литьевые формы, после чего покрыта слоем раствора чистого полидиметилсилоксана в гескасне для изоляции, и отверждена при 190 С в течение 6 часов.
В нашей работе мы использоавали предварительно культивированные миосферы, которые были размещены в изолированных ячейках на поверхности электродной матрицы. Такие гибридные ячейки могут являться подходящими мишенями для иннервации аксонами периферических нервов. Мы подтвердили возможность выживания и распластывания путем культивации в течение трех дней миосфер внутри электродных ячеек in vitro.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Список литературы
1. E. K. Purcell, J. P. Seymour, S. Yandamuri, & D. R. Kipke. In vivo evaluation of a neural stem cell-seeded prosthesis.//Journal of neural engineering. — 2009. -V. 6 (2).
2. A. E. Rochford, A. Carnicer-Lombarte, M. Kawan et al. Functional neurological restoration of amputated peripheral nerve using biohybrid regenerative bioelectronics. // Science Advances. — 2023. -V. 9 (12).
3. D. O. Adewole, L. A. Struzyna, J. C. Burrell et al. Development of optically controlled "living electrodes" with long-projecting axon tracts for a synaptic brain-machine interface. // Science Advances, —2021. -V. 7 (4).
4. C. Yang, C. B. Jacobs, M. D. Nguyen et al. Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine.//Analytical chemistry. -2016. -V. 88 (1), — P. 645—652.
5. A. Blau, A. Murr, S. Wolff et al. Flexible, all-polymer microelectrode arrays for the capture of cardiac and neuronal signals.//Biomateri-als, —2011. -V. 32 (7). -P. 1778—1786.
6. Y. Lu, H. Lyu, A. G. Richardson,, Luca (2016). Flexible neural electrode array based-on porous graphene for cortical microstimulation and sensing. Scientific reports, 6 (1), 33526.
7. I. R. Minev, P. Musienko, A. Hirsch et al. Electronic dura mater for long-term multimodal neural interfaces.//Science, —2015. -V. 347 (6218). -P. 159—163.
8. D. Sahni, A. Jea, J. A. Mata et al. Biocompatibility of pristine graphene for neuronal interface.//Journal of Neurosurgery: Pediatrics. — 2011. — V. 11 (5). — P. 575—583.
9. Y. Zhang, S. F. Ali, E. Dervishi et al. Cytotoxicity effects of graphene and single-wall carbon nanotubes in neural phaeochromocytoma-de-rived PC12 cells. // ACS nano, —2010. -V. 4 (6). — P. 3181—3186.
PRODUCTION AND PROPERTIES OF A PROTOTYPE OF BIOHYBRID NEUROINTERFACE BASED ON COMPOSITE POLYMERS AND CELLULAR SPHEROIDS.
Zhirnov S. V.Karshieva S. S.1'2, Tunekov T. A.1 lliasov A. R. 13
'National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia 2N. N. Blokhin Cancer Research Center, Moscow, Russia 'National research nuclear university "MEPHI", Moscow, Russia
Abstract:. There are two trends in the development of materials and design of invasive neurointerfaces — miniaturization and use of soft conductive materials. We demonstrate a method of synthesizing a conductive material based on polydimethylsiloxane and graphene particles, and a method of fabricating a microelectrode matrix with integrated cellular spheroids based on it.
Key words: neurointerfaces, composite materials, microelectrode arrays, cellular spheroids.
