Микроэлектронные технологии для медицины Свежий номер

— Какая ваша специализация в науке?

— На протяжении научного пути мои результаты связаны с выявлением новых эффектов, происходящих в материалах при физических воздействиях различной природы. Мною были выявлены механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с наноматериалами из металлов, углерода и многих органических соединений. Логичным продолжением выявленных механизмов являлось формирование новых наноматериалов под воздействием лазерного излучения и их практическое применение.

В электронике такие материалы используются при создании электропроводящих межсоединений в интегральных схемах, а также для создания на кремниевом чипе углеродных наноструктур, которые служат источником электронов, например, в рентгеновских лампах или электронных микроскопах. В оптике и интегральной фотонике такие наноструктуры применяются для создания прозрачных материалов, затемняющихся под действием лазера – они способны защищать глаза хирургов при лазерных операциях или, например, фоточувствительные матрицы лидаров в беспилотниках.

— В биомедицине и биоэлектронике эти углеродные структуры тоже можно как-то использовать?

— Электропроводящие каркасные наноструктуры можно сформировать с заданной топологией  на чипе и добавить биополимеры  нашего организма – альбумин, коллаген или хитозан. Если такие чипы поместить в культуральный планшет для роста клеток, можно управлять процессами их жизнедеятельности. Эта технология применяется для создания «фантомов», имитирующих фрагменты разных биотканей. Например, с биологами Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи, где была разработана вакцина Спутник V от коронавируса, мы создавали чипы с клетками легких в виде пористой структуры легких для исследований воздействия вирусов на легочную ткань. Размножая клетки сердца, нервных и мышечных тканей в трёхмерных структурах, можно исследовать процессы, связанные с ишемией, регенерацией нервных клеток и т.д.

— Вы занимались также покрытиями на основе углеродных наноструктур для биомедицины – какие разработки сделаны в этой области?

— У нас есть целый ряд исследований и разработок по двум направлениям: создание плёночных и объёмных материалов. Один из результатов исследований – формирование коллагеновых  покрытий с углеродными нанотрубками для искусственных  связок сустава, которые на 20% быстрее и прочнее приживались к костной ткани. Были созданы и такие же биосовместимые материалы для восстановления гиалиновых хрящей в коленном суставе, которое происходит гораздо быстрее – мы показали это вместе с ортопедами-хирургами МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского. А ещё наши плёночные материалы используются для сердечного насоса – при формировании гемосовместимого антитромбогенного покрытия. Объёмные многослойные материалы, состоящие из слоёв альбумина, коллагена и углеродного нанотрубочного каркаса, служат для создания умных имплантируемых «заплаток» на инфарктную область сердца.

— Пострадавшее от инфаркта сердце можно заклеить «заплаткой» из наноматериалов?

— Мы с медиками решили, что такая кардио-заплатка должна быть населена клетками миокарда, расположенными в объёмной структуре нашего имплантата. Пористые материалы формировались при помощи лазерного принтера. В результате получилось продемонстрировать восстановление инфарктной области сердца на 80% за два-четыре месяца после инфаркта.

Ещё один важный наш проект – лазерное восстановление целостности биотканей с использованием процесса формирования композитного материала, причём прямо в теле человека, in situ. Этот проект мы выполняем с медиками из Сеченовского Университета. Если нанести жидкую среду с нанотрубками и биополимером в пространство между краями раны и воздействием лазера преобразовать её в композит, он стягивает края раны вместо нити и иглы. Причём пористая структура этого материала выполнена так, что живая ткань и сосуды постепенно прорастают в него, а сам материал со временем «рассасывается».

Все результаты этих исследований могут являться заделом для решения задач крупного научного проекта НИУ МИЭТ — по исследованию микроэлектронных технологий создания нейроинтерфейсов живых-технических систем для управления передачей болевых сигналов в мозг с помощью имплантируемых нейростимуляторов.

— Расскажите подробнее о разработке нейростимулятора для подавления боли – какова конечная цель этого проекта?

— В перспективе на базе этого исследования должен быть разработан первый отечественный нейростимулятор. Когда человек испытывает физическую боль, сигнал об этом поступает в головной мозг через спинной мозг. Подобные нейростимуляторы имплантируются в область спины, а электроды от них – в эпидуральное пространство спинного мозга, и электрические импульсы, подаваемые на электроды, должны подавлять боль. Биосовместимые электропроводящие углеродные композитные материалы являются перспективными для создания электродов нейроинтерфейсов между технической системой и биологической тканью спинного мозга.

— Нейростимулятор планируется сделать «с обратной связью» – что это означает?

— Помимо передачи сигналов этот нейроинтерфейс должен будет регистрировать и интерпретировать сигналы о начале болевого синдрома. Это позволит нам настроить и откалибровать всю систему так, чтобы нейростимулятор автоматически распознавал боль и генерировал в ответ импульсы, подавляющие её. Для анализа сигналов мы используем искусственный интеллект. На сегодняшний день у нас уже разработан образец, который генерирует стимулирующие импульсы и регистрирует биопотенциалы на 16 электродных площадках, а управляется модуль с мобильного телефона. В настоящий момент вместе с партнером по этому проекту, ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России, мы провели ряд экспериментов, которые продемонстрировали работоспособность разработанных технических средств для подавления боли на живом организме (крупных лабораторных животных).

— Есть технологии, которые избавят человечество от боли? Это является одной из основных тем конференции, которая проводится с 2024 года «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы», председателем оргкомитета которой Вы являетесь?

— Вы совершенно правы. Основной целью этой уникальной конференции является поиск и развитие перспективных междисциплинарных научных направлений на стыке микроэлектроники, материаловедения и нейротехнологий для достижения технологического лидерства Российской Федерации в области медицинских изделий, включая биогибридные, бионические и нейротехнологии, определённые указом Президента России. 

В последнее время крайне важным является развитие гражданского сектора проектирования и производства отечественных микроэлектронных интегральных схем и, в целом, биомедицинской имплантируемой микроэлектроники. Конференция позволяет определить пути преодоления самых сложных вызовов, стоящих перед этой областью. Поскольку, плодотворные дискуссии с яркими докладами и новыми идеями приближают нас к созданию технологий, способных кардинально улучшить качество жизни людей.

— Вокруг вас есть круг коллег и экспертов, которым можно «позвонить среди ночи»? Ваши студенты тоже становятся вашими коллегами в науке – они участвуют в ваших исследованиях?

— Конечно, за время моей работы сложился большой пул коллег из междисциплинарных направлений, уже ставших приятелями. Эксперименты и исследования часто проходят в неформальном общении – так рождаются идеи будущих разработок. 

Без привлечения молодых учёных, аспирантов и студентов, и без совместной работы с ними невозможно было бы достичь высоких результатов. Молодые коллеги развиваются, совершенствуют свои компетенции, зачастую им уже можно полностью довериться – спланировать эксперимент, в котором каждый должен чётко выполнить свою функцию в срок. И тут важны не только исследовательские навыки, но и чисто человеческая ответственность и обязательность.