Создано устройство, восстанавливающее тактильные ощущения

В Тель-Авивском университете разработали технологию, которая поможет вернуть осязание после травмы. Устройство состоит из крошечного датчика, который имплантируется в травмированную конечность, например, в палец, и подключается к здоровому нерву. Каждый раз, когда рука касается поверхности, датчик активируется и проводит электрический ток к неповрежденному нерву, что воссоздает ощущение прикосновения. Своим исследование ученые поделились в журнале ACS Nano.

Credit: Tel Aviv University’s

Повреждение периферических нервов — это распространенное заболевание, которым страдают около 3% пациентов с травмами. Из-за него люди перестают ощущать прикосновения,  что мешает в повседневной жизни и повышает риск травм в будущем. 

Как восстанавливают осязание

Чтобы восстановить тактильные ощущения, чаще всего используется хирургическая реконструкция нерва аутотрансплантатом, то есть нерв из одной части тела пересаживается в другую. Операция сопряжена с множеством сложностей, например, требует неповрежденной кожи и должна быть выполнена как можно скорее после травмы.  Более того, даже при соблюдении этих условий вероятность успеха невысока.

Альтернативный метод восстановления тактильных ощущений — это нейропротезы. Устройства преобразуют давление вокруг поврежденной области в электрические сигналы, которые обрабатываются мозгом. Однако пока эти технологии только развиваются, и немногие из них испытаны in vivo (на животных или людях). Также у созданных устройств есть серьезные недостатки: они дорого стоят, требуют от пациента длительной адаптации и обучения, а для некоторых нейропротезов нужны дополнительные платформы поддержки. Кроме того, современные нейропротезы работают от источников питания, которые сложно заменить, а при повреждении они  выделяют токсичные вещества.

TENG-IT

Для создания нового типа устройства нейроученые из Тель-Авивского университета использовали технологию сбора энергии, называемую трибоэлектрическим наногенератором (TENG). Свой прибор ученые назвали TENG-IT — интегрированное тактильное (IT) устройство восстановления сенсорной функции.

В его основе лежит трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Всякий раз, когда устройство улавливает трение, оно заряжается, поэтому не нуждается в источнике питания.

TENG-IT. Credit: ACS Nano 

Датчик вживляют в месте повреждения нерва, например, под кончиком пальца. Затем TENG-IT подключается к здоровому нерву, и тактильные ощущения пальца восстанавливаются. 

Устройство состоит из двух миниатюрных пластинок. Когда пластины соприкасаются друг с другом, высвобождается электрический заряд, который передается на неповрежденный нерв. Если травмированный палец касается чего-либо, датчик отслеживает давление и преобразует его в напряжение: слабое для легкого прикосновения и сильное для более значительного — точно так же, как и при нормальном осязании.

Основой конструкции служат каптоновые полимерные полоски толщиной 125 мкм, обеспечивающие гибкость и прочность. На них напыляется слой титана толщиной 5 нм, а сверху — 100 нм золота.

Схема слоев TENG-IT. Credit: ACS Nano 

Эксперименты in vivo

Эффективность TENG-IT ученые проверили на крысах. Животных разделили на три группы: контрольную, в которой никаких операций не проводилось, и две группы с удаленным участком большеберцового нерва. В одной из групп крысам имплантировали TENG-IT. 

Тактильные ощущения исследовали с помощью проволочной сетки фон Фрея. Крыса стоит на сетке, а снизу на ее лапу оказывают давление с помощью специального наконечника. Когда крыса чувствует давление, она поднимает лапу, а прибор автоматически регистрирует силу воздействия.

Пороги чувствительности в группе TENG-IT (3,99 ± 3,54 г) были сравнимы с контрольной группой (2,69 ± 0,12 г)  и в несколько раз превосходили результаты у крыс с удаленным нервом, но без импланта (14.12 ± 2.53 г).

TENG-IT, имплантированное крысе. Credit: ACS Nano 

Ученые надеются, что в будущем устройство можно будет вживлять в любой участок тела, где требуется восстановить тактильные ощущения. Процедура имплантации проста,  датчик выполнен из биосовместимого материала, безопасного для организма человека, и не требует обслуживания.

Исследователи проверили долговечность TENG-IT в смоделированных биологических условиях в течение 26 дней, но в идеале устройство должно исправно работать в течение многих лет.

Однако до широкого медицинского применения TENG-IT еще далеко. В первую очередь потребуется уменьшить его размер. Сейчас площадь поверхности устройства составляет около 24 мм² , что слишком много, если его нужно имплантировать, например, в кончик пальца. Также потребуется учитывать часть тела, в которую будет помещено устройство, расположение нервов и количество сенсорных нейронов, связанных с нервом. Кроме того, датчик нужно будет откалибровать, чтобы приблизить ощущения к естественным. 

Текст: Вера Васильева

Restoring Tactile Sensation Using a Triboelectric Nanogeneratorby by JIftach Shlomy et al in ACS. Published June 2021. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10141