Нейронные имплантаты содержат интегральные схемы (ИС) — обычно называемые чипами — построенные на кремнии. Эти имплантаты должны быть небольшими и гибкими, чтобы имитировать обстоятельства внутри человеческого тела. Однако среда внутри тела едкая, что вызывает опасения относительно долговечности имплантируемых кремниевых ИС.

Группа исследователей из Технического университета Делфта (Нидерланды) под руководством доктора Василики (Вассо) Джиагки решает эту проблему, изучая механизмы деградации кремниевых ИС в организме и покрывая их мягкими эластомерами PDMS для формирования барьеров между жидкостями организма, которые обеспечивают долгосрочную защиту имплантируемых чипов. Эти результаты не только увеличивают долговечность имплантируемых ИС, но и значительно расширяют их применение в биомедицинской области.

Статья по этому проекту опубликована в журнале Nature Communications .

Решающее исследование заболеваний мозга
Нейронные имплантаты имеют решающее значение для изучения мозга и разработки методов лечения пациентов с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона или клиническая депрессия. Нейронные имплантаты электрически стимулируют, блокируют или регистрируют сигналы от нейронов или нейронных сетей в мозге. Для изучения и лечения, и особенно для хронического использования, эти нейронные имплантаты должны быть долговечными.

«Миниатюрные нейронные имплантаты обладают огромным потенциалом для преобразования здравоохранения , но их долгосрочная стабильность в организме вызывает серьезную озабоченность», — объясняет Вассо Джиагка, исследователь из Технического университета Делфта. «Наше исследование не только выявляет ключевые проблемы, но и дает практические рекомендации по повышению надежности этих устройств, приближая нас к безопасным и долгосрочным клиническим решениям».

Исследователи оценивали электрические и материальные характеристики чипов (от двух разных производителей, также известных как литейные заводы) в течение одного года посредством ускоренных исследований in vitro и in vivo. Они использовали структуры ИС из голого кремния и интегрировали их с мягкими эластомерами PDMS для формирования барьеров между жидкостями организма, которые обеспечивают долгосрочную защиту имплантируемых чипов.

Схематические иллюстрации тестовых структур кремниевых ИС (размеры не в масштабе). Кредит: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55298-4
Чипы, используемые в исследовании, были частично покрыты PDMS (полидиметилсилоксаном), который является полимером, содержащим кремний. Это создало две области на чипах, область голого кристалла и область, покрытую PDMS. Во время ускоренного исследования in vitro чипы были замочены в горячей соленой воде и электрически смещены (подвергнуты воздействию постоянного электрического тока). Чипы периодически контролировались, и результаты показали стабильные электрические характеристики. Это показало, что чипы оставались работоспособными, даже при прямом воздействии биологических жидкостей.

Анализ материалов чипов показал, что в оголенных областях наблюдалась деградация чипов, но в областях с покрытием PDMS деградация была незначительной.

Это показывает, что PDMS является весьма подходящим инкапсулянтом для многолетней имплантации. Эти идеи будут информировать и позволят разрабатывать современные активные биоэлектронные имплантаты в масштабе чипа для минимально инвазивных интерфейсов мозг-компьютер и хронических нейробиологических исследований. И на основе новых идей предлагаются руководящие принципы, которые могут увеличить долговечность имплантируемых чипов, расширяя их применение в биомедицинской области.

«Мы все были удивлены», — говорит аспирант Камбиз Нанбахш, который является первым автором этой работы. «Я не ожидал, что микрочипы будут настолько стабильными, если их замочить и электрически сместить в горячей соленой воде».

Вассо также очень воодушевлен результатами исследования. «Наши результаты показывают, что тщательно спроектированные кремниевые чипы с открытым кристаллом могут надежно работать в организме в течение месяцев. Решая проблемы долгосрочной надежности, мы открываем новые двери для миниатюрных нейронных имплантатов и продвигаем разработку биоэлектронных устройств следующего поколения в клинических приложениях».

Вассо подчеркивает защитную роль PDMS. «Эта работа раскрывает важнейшую роль силиконовой инкапсуляции в защите имплантируемых интегральных схем от деградации. Продлевая срок службы нейронных имплантатов, наше исследование открывает пути к более долговечным и эффективным технологиям для интерфейсов мозг-компьютер и медицинской терапии».

Камбиз полностью согласен с Вассо: «Это было долгое расследование, но, надеюсь, его результаты будут полезны для многих».