Ученым из УрФУ в сотрудничестве с коллегами из Университета Авейру удалось разработать биосовместимые кристаллические пленки с высокими пьезоэлектрическими свойствами. Эти пленки обладают способностью генерировать электрический ток при механическом или тепловом воздействии. Это свойство может быть полезным при производстве компонентов для инвазивных медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы. Подробное описание полученных пленок и нового метода их синтеза было опубликовано в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering. Исследование было проведено при поддержке программы «Приоритет-2030».
Ученые сообщают: «Мы смогли получить пленки из дифенилаланина, обладающие высокими пьезоэлектрическими свойствами, сравнимыми с неорганическими аналогами. Под воздействием механических или тепловых сил такие пленки могут генерировать электричество. Применение этих пленок будет особенно полезным при создании инвазивных кардиостимуляторов - устройств, находящихся внутри организма человека. Во время сокращения или растяжения сердца эти пленки будут производить ток, который затем будет сохраняться в батареях кардиостимуляторов. Использование устройств хранения энергии на основе таких материалов может помочь решить проблему замены истощенных батарей, а также сократить количество хирургических вмешательств».
Эксперт в области функциональных наноматериалов и наноустройств НИИ физики и прикладной математики УрФУ рассказывает: «Дифенилаланин является модификацией фенилаланина, одной из 20 аминокислот, из которых состоят белки, и играет важную роль в биологических процессах. Это вещество присутствует в человеческом организме, поэтому материалы на основе дифенилаланина обладают высокой совместимостью с живыми тканями».
Органические материалы считаются более биосовместимыми и безопасными для использования в медицинских устройствах по сравнению с неорганическими аналогами. Это обусловлено лучшей интеграцией органических материалов с биологическими системами.
Дифенилаланин, являясь органическим материалом, обладает высокой биосовместимостью, что делает его отличным выбором для создания как инвазивных, так и неинвазивных медицинских устройств. Например, датчики, изготовленные из органического материала, будут менее раздражать ткани и вызывать меньшее отторжение, чем аналогичные устройства из неорганических полимеров.
Ученые разработали новый метод синтеза пленок из дифенилаланина, используя кристаллизацию из аморфной фазы под воздействием водяного пара. Традиционные способы получения данного материала включали кристаллизацию из водного раствора, что приводило к формированию структур с непредсказуемой морфологией. Отмечается, что высокие пьезоэлектрические свойства дифенилаланина были известны ранее, однако создание пленок с плоской структурой представляло трудность из-за тенденции водного раствора к образованию трубчатых структур. Разработанный метод позволил получить пленки с плоской морфологией, что важно для создания электронных устройств, требующих ровной поверхности для нанесения электродов. Ученые подчеркивают уникальность своего метода, который до этого не применялся другими научными группами.
Медицинские кардиостимуляторы применяются для лечения брадикардии – замедленного сердечного ритма. В состоянии покоя сердце совершает 50-70 сокращений в минуту, но при стрессе или физической активности частота сердечных сокращений может увеличиваться вдвое или втрое.
Если сердце начинает биться слишком медленно, это может привести к недостаточному кровоснабжению мозга и оказаться негативным для здоровья человека.
Инвазивные кардиостимуляторы отличаются от других устройств тем, что они имплантируются внутри тела пациента с помощью хирургической процедуры. Эти устройства обеспечивают точное управление сердечным ритмом. По данным компании Boston Scientific, к 2022 году около 3 миллионов человек по всему миру использовали кардиостимуляторы для поддержания работы сердца. Кроме того, ежегодно проводится около 600 тысяч операций по имплантации кардиостимуляторов.
Уральский федеральный университет – один из ведущих университетов России, находится в Екатеринбурге. Университет является участником проекта по созданию кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Наука и университеты», осуществляемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. УрФУ является участником государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030» и инициатором создания проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».