Независимо от формы и функций, почти все электронные импланты содержат электроды — небольшие проводящие элементы, которые прикрепляются непосредственно к тканям-мишеням для электрической стимуляции мышц и нервов. Имплантируемые электроды преимущественно изготавливаются из твердых металлов, обладающих электропроводностью по своей природе. Но со временем металлы могут раздражать ткани, вызывать рубцевание и воспаление.
Подавляющее большинство полимеров изолирующие по своей природе, а это означает, что они плохо или вообще не проводят электричество. Но существует небольшой класс полимеров, которые могут пропускать электроны через себя. Ученые уже пытались использовать проводящие полимеры для изготовления мягких, не содержащих металлов электродов. Однако в гелевых материалах электрические и механические свойства всегда противоречат друг другу. Получались либо слабые и хрупкие материалы с неплохой проводимостью, либо прочные, но с плохими электрическими характеристиками.
Раньше исследователи полагались на однородное случайное смешивание двух материалов. Такие смеси образовывали гели, состоящие из беспорядочно диспергированных полимерных частиц. Инженеры из MIT поняли, что для сохранения электрической и механической прочности проводящего полимера и гидрогеля оба ингредиента должны быть смешаны так, чтобы они слегка отталкивались — это состояние называется фазовым разделением. В этом слегка разделенном состоянии каждый ингредиент может затем связать свои соответствующие полимеры с образованием длинных микроскопических нитей, а также смешиваться в целом. Ученые называют такой материал «электрическое спагетти».
Исследователи изменили способ создания геля, превратив его в чернила, которые затем использовали для печати с помощью 3D-принтера на пленках из чистого гидрогеля. Это позволило создать электроды, похожие по своим характеристикам на обычные металлические электроды, которые могут проводить электричество так же, как металлы.
Напечатанные желеобразные электроды имплантировали в сердце, седалищный нерв и спинной мозг крыс. Команда проверяла электрические и механические характеристики электродов на животных два месяца и обнаружила, что устройства оставались стабильными все это время с небольшим воспалением или рубцеванием окружающих тканей. Электроды также могли передавать электрические импульсы от сердца на внешний монитор, а также доставлять небольшие импульсы к седалищному нерву и спинному мозгу, что стимулировало двигательную активность в связанных мышцах и конечностях.
Сейчас команда работает над продлением срока службы и повышением производительности нового материала. Затем гель можно будет использовать как мягкий электрический интерфейс между органами и долгосрочными имплантатами, включая кардиостимуляторы и стимуляторы мозга. Материал заменит стекло, керамику и металл внутри корпуса имплантов.
