Напечатанная перепонка
Травмы барабанной перепонки порой чреваты нарушением её целостности: это состояние сопровождается острой болью и снижением слуха. Для устранения подобных дефектов, как правило, требуется хирургическое вмешательство, которое не всегда позволяет восстановить функционал повреждённых структур. Команда учёных из Института биоинженерии Уайсса при Гарвардском университете представила миру напечатанный на 3D-принтере имплантат PhonoGraft, который способствует естественному восстановлению тканей травмированной перепонки.
Барабанная перепонка – это тонкая округлая мембрана, которая вибрирует под влиянием звуковых колебаний и преобразует их в электрический сигнал, доступный для расшифровки соответствующими мозговыми структурами. Кроме того, она выполняет защитную функцию, предупреждая попадание во внутреннее ухо инородных тел и патогенов. В зависимости от степени повреждения, барабанные перепонки полностью или частично перестают выполнять свои функции. В настоящее время наиболее перспективным методом лечения перфораций барабанных перепонок является тимпанопластика, в ходе которой повреждение закрывают лоскутом собственных тканей пациента. К сожалению, исход подобных хирургических вмешательств не всегда оказывается благоприятным. Прежде всего «заплатка» неспособна проводить звуковые волны настолько же эффективно, насколько это делает здоровая перепонка. Кроме того, порой трансплантат не приживается, и возникает необходимость повторной операции.
Учёные из Института биоинженерии Уайсса разработали искусственный имплантат PhonoGraft, который производится из чернил на основе синтетических полимеров при помощи 3D-принтера. Разработанная ими система подачи чернил позволяет печатать эластичные конструкции, которые повторяют структуру барабанной перепонки с радиальными волокнами, напоминающими спицы велосипедного колеса. Благодаря этому PhonoGraft имитирует звукопроводимость здоровой мембраны. Более того, этот имплантат не просто возвращает пациенту слух, но и становится своего рода «строительными лесами» для регенерации собственных тканей реципиента. К слову, установка искусственной мембраны производится непосредственно через наружный слуховой проход, а удалять её и вовсе не нужно: PhonoGraft относится к условно программируемым биодеградируемым имплантатам, которые полностью рассасываются спустя заданное время.
Устройство для фонографа устанавливается через слуховой проход с использованием неинвазивной эндоскопической процедуры, в то время как существующий метод включает в себя разрез за ухом, который является гораздо более инвазивным (верхний ряд). Устройство с 3D-печатью имитирует круговой и радиальный рисунок коллагеновых волокон родной барабанной перепонки, одновременно соответствуя ее акустическим и механическим свойствам. После установки он инициирует регенерацию родной ткани барабанной перепонки.
Исследователи провели испытание имплантата PhonoGraft на шиншиллах, анатомия ушей и диапазон слуха которых близки к человеческим. По словам Аарон Ременшнайдера, спустя примерно 3 месяца аудиометрия показала полное восстановление слуха животного. Более того, в ходе эндоскопического исследования слухового прохода учёные увидели «призрак» имплантата, который заменили новые здоровые ткани. Для реализации своего изобретения на рынке Институт биоинженерии Уайсса зарегистрировал собственный стартап Beacon Bio. Недавно его приобрела компания Desktop Health, которая специализируется на разработке 3D-печатных изделий для отрасли здравоохранения. В настоящее время учёные работают над получением разрешения от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для использования имплантата PhonoGraft на людях.
Технология автономных кардиостимуляторов
Современные кардиостимуляторы питаются от батареи, чтобы поддерживать регулярное сердцебиение пациента. Проблема в том, что они нуждаются в замене элементов питания, что подразумевает проведение дополнительных операций. А это всегда рискованно. Йи Чжиран из Шанхайского университета Цзяо Тонг решил создать принципиально новое устройство, которое питается от кинетической энергии самого сердца.
Практическая сила сердца составляет 0.5 ньютона, то есть, выходная мощность — 192 микроватта, отмечают авторы разработки. При этом, для бесперебойной работы коммерческого кардиостимулятора достаточно минимум 10 микроватт.
Энергия для работы прибора собирается изгибанием герметичной конструкции кардиостимулятора, создавая искривленную пьезоэлектрическую энергию. Этот метод питания сильно отличается от современных конструкций кардиостимуляторов.
Сканировать мозг станет проще и дешевле российским магнитометром
Команда исследователей из Российского квантового центра, Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ представила новый сверхчувствительный твердотельный магнитометр.
Линейные размеры датчика и чувствительные оси
Ученые также впервые использовали свое изобретение в эксперименте, для улучшения метода магнитоэнцефалографии (МЭГ) – неинвазивной технологии измерения электрической активности головного мозга.
В чём же состоит достижение российских исследователей? Для начала расскажем о методе магнитоэнцефалографии.
Основное преимущество МЭГ в сравнении с другими методами исследования электрической активности мозга – высокая точность. Всё дело в том, что биологические ткани «прозрачны» для магнитных полей.Напомним, что нейроны мозга посылают сигналы в виде электрических импульсов. Эти электрические импульсы генерируют очень слабые магнитные поля, которые на сегодняшний день могут зарегистрировать только специальные очень чувствительные сверхпроводящие датчики.Чтобы он работал, его нужно охлаждать до минус 269° С, то есть почти до абсолютного нуля. Поэтому аппараты для магнитоэнефалографии очень дороги и в производстве, и в обслуживании.
Ученые Российского квантового центра создали первый в мире твердотельный сверхчувствительный магнитометр, работающий при комнатной температуре. В качестве основы выступила пленка железо-иттриевого граната. Этот российский магнитометр демонстрирует более высокую, чем у «коллег», чувствительность и дает возможность регистрировать даже слабые и глубинные электрические источники головного мозга. А ещё ему нужна меньшая степень магнитной защиты, что существенно снижает цену как самого устройства, так и необходимой для его работы инфраструктуры.
Система OP-MEG, используемая для поиска мест с высокой амплитудой альфа-волн (а) и (б); схема расположения OPM на коже головы
Сотрудники Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ провели тестирование новых сенсоров. Для этого они регистрировали простой сигнал головного мозга – альфа-ритм. Это синусоидальные токи, возникающие в затылочной области головного мозга у 85—95% здоровых взрослых в спокойном состоянии. Новый магнитометр успешно зарегистрировал альфа-ритм, что подтвердили другие методы регистрации сигналов мозга.
В будущем ученые планируют изучить различные схемы расположения таких сенсоров внутри магнитоэнцефалографа. Их разместят вокруг головы и объединят с помощью гибкого соединения, чтобы уловить все значимые сигналы электрической активности коры головного мозга.
По словам руководителя группы разработчиков нового прибора Максима Острася из Российского квантового центра, разработка магнитометра была начата Петром Ветошко еще в середине 90-х годов.
«Интерес к МЭГ-системам в мире непрерывно растет: если в 2017 году [их] рынок оценивался в $600 миллионов, то к 2025 году аналитики прогнозируют увеличение до $1,3 миллиарда, – подчеркивает Острась. – Важно отметить, что квантовое обменное взаимодействие позволило зарегистрировать значение магнитного поля в 1000 раз ниже, чем при использовании традиционных решений».
Исследователи отмечают, что им ещё предстоит провести огромную работу для совершенствования своего изобретения. Нужны и новые физические исследования, и математическая модель для корректной обработки сигналов с новых датчиков. Учитывая потенциально низкую стоимость и надежность новых сенсоров, ученые надеются, что в скором будущем технология магнитоэнцефалографии станет доступна большему кругу пациентов, врачей и исследователей.Это, в свою очередь, повысит качество медицинской помощи, точность диагностики ряда неврологических расстройств, включая эпилепсию, и даст дополнительный толчок исследованиям механизмов работы головного мозга в норме и при патологии.