• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Utskrivbart bioniskt öra smälter elektronik och biologi

    Forskare använde 3D-utskrift för att slå samman vävnad och en antenn som kan ta emot radiosignaler. Upphovsman:Frank Wojciechowski

    Forskare vid Princeton University använde utskriftsverktyg på hyllan för att skapa ett funktionellt öra som kan "höra" radiofrekvenser långt utanför normala mänskliga förmågor.

    Forskarnas främsta syfte var att utforska ett effektivt och mångsidigt sätt att slå samman elektronik med vävnad. Forskarna använde 3D -utskrift av celler och nanopartiklar följt av cellodling för att kombinera en liten spolantenn med brosk, skapa vad de kallar ett bioniskt öra.

    "I allmänhet, det finns mekaniska och termiska utmaningar med gränssnitt mellan elektroniska material och biologiska material, "sa Michael McAlpine, en biträdande professor i maskin- och rymdteknik vid Princeton och ledande forskare. "Tidigare, forskare har föreslagit några strategier för att skräddarsy elektroniken så att denna sammanslagning blir mindre besvärlig. Det händer vanligtvis mellan ett 2D -ark elektronik och en yta på vävnaden. Dock, vårt arbete föreslår en ny strategi - att bygga och växa upp biologin med elektroniken synergistiskt och i ett 3D -sammanvävt format. "

    McAlpines team har gjort flera framsteg under de senaste åren med användning av småskaliga medicinska sensorer och antenn. Förra året, en forskningsinsats som leds av McAlpine och Naveen Verma, en biträdande professor i elektroteknik, och Fio Omenetto från Tufts University, resulterade i utvecklingen av en "tatuering" som består av en biologisk sensor och antenn som kan fästas på ytan av en tand.

    Det här projektet, dock, är lagets första försök att skapa ett fullt fungerande organ:ett som inte bara replikerar en mänsklig förmåga, men förlänger den med inbäddad elektronik

    "Design och implementering av bioniska organ och enheter som förbättrar mänsklig förmåga, känd som cybernetik, har varit ett område med ökande vetenskapligt intresse, "skrev forskarna i artikeln som finns i den vetenskapliga tidskriften Nano bokstäver . "Detta fält har potential att skapa skräddarsydda reservdelar för människokroppen, eller till och med skapa organ som innehåller kapacitet utöver vad mänsklig biologi vanligtvis ger. "

    Standardvävnadsteknik innefattar sådd av celler, såsom de som bildar öronbrosk, på en ställning av ett polymermaterial som kallas en hydrogel. Dock, forskarna sa att denna teknik har problem att replikera komplicerade tredimensionella biologiska strukturer. Öronrekonstruktion "är fortfarande ett av de svåraste problemen inom plast- och rekonstruktiv kirurgi, " de skrev.

    För att lösa problemet, teamet vände sig till en tillverkningsmetod som kallas 3D -utskrift. Dessa skrivare använder datorassisterad design för att föreställa sig objekt som matriser av tunna skivor. Skrivaren avsätter sedan lager av olika material - allt från plast till celler - för att bygga upp en färdig produkt. Förespråkarna säger att additiv tillverkning lovar att revolutionera hemindustrin genom att låta små team eller individer skapa arbete som tidigare bara kunde utföras av fabriker.

    Att skapa organ med 3D -skrivare är ett nytt framsteg; flera grupper har rapporterat att de använder tekniken för detta ändamål under de senaste månaderna. Men det här är första gången som forskare har visat att 3D -utskrift är en bekväm strategi för att väva vävnad med elektronik.

    Tekniken gjorde det möjligt för forskarna att kombinera antennelektroniken med vävnad inom den mycket komplexa topologin hos ett mänskligt öra. Forskarna använde en vanlig 3D -skrivare för att kombinera en matris av hydrogel- och kalvceller med silvernanopartiklar som bildar en antenn. Kalvcellerna utvecklas senare till brosk.

    Manu Mannoor, en doktorand i McAlpines laboratorium och tidningens huvudförfattare, sade att additiv tillverkning öppnar nya sätt att tänka på integrationen av elektronik med biologisk vävnad och möjliggör skapandet av sanna bioniska organ i form och funktion. Han sa att det kan vara möjligt att integrera sensorer i en mängd olika biologiska vävnader, till exempel, för att övervaka stress på en patients knämenisk.

    David Gracias, docent vid Johns Hopkins och medförfattare till publikationen, sade att överbrygga klyftan mellan biologi och elektronik representerar en formidabel utmaning som måste övervinnas för att möjliggöra skapandet av smarta proteser och implantat.

    "Biologiska strukturer är mjuka och tjusiga, består till största delen av vatten och organiska molekyler, medan konventionella elektroniska enheter är hårda och torra, består huvudsakligen av metaller, halvledare och oorganiska dielektrikar, "sa han." Skillnaderna i fysikaliska och kemiska egenskaper mellan dessa två materialklasser kunde inte vara mer uttalade. "

    Det färdiga örat består av en lindad antenn inuti en broskstruktur. Två trådar leder från örats bas och vindar runt en spiralformad "cochlea" - den del av örat som känner av ljud - som kan anslutas till elektroder. Även om McAlpine varnar för att ytterligare arbete och omfattande tester måste göras innan tekniken kan användas på en patient, han sa att örat i princip skulle kunna användas för att återställa eller förbättra människors hörsel. Han sa att elektriska signaler från örat kunde anslutas till en patients nervändar, liknande en hörapparat. Det nuvarande systemet tar emot radiovågor, men han sa att forskargruppen planerar att införliva annat material, t.ex. tryckkänsliga elektroniska sensorer, för att göra det möjligt för örat att registrera akustiska ljud.

    Förutom McAlpine, Verma, Forskargruppen Mannoor och Gracias inkluderar:Winston Soboyejo, professor i mekanisk och rymdteknik vid Princeton; Karen Malatesta, en lärare i molekylärbiologi vid Princeton; Yong Lin Kong, en doktorand i maskin- och rymdteknik vid Princeton; och Teena James, en doktorand i kemisk och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins.

    I teamet fanns också Ziwen Jiang, en gymnasieelev vid Peddie School i Hightstown som deltog som en del av ett uppsökande program för unga forskare i McAlpines labb.

    "Ziwen Jiang är en av de mest spektakulära gymnasieelever jag någonsin sett, "Sa McAlpine." Vi hade inte kunnat slutföra detta projekt utan honom, särskilt i sin skicklighet att behärska CAD -design av de bioniska öronen. "


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com