О чём ещё лет 30 назад говорили лишь на страницах научно-фантастической литературы, сегодня об этом дискутируют на научных конференциях и в стенах ведущих российских лабораторий. Микро- и наноэлектронные технологии для биомедицины уже здесь, совсем рядом: сердечные заплатки, «фантом» лёгких, чипы для клеток и биотканей и нейростимулятор для подавления боли. Об этих и других разработках Института биомедицинских систем МИЭТа мы поговорили с Александром Герасименко, начальником научно-исследовательской лаборатории «Биомедицинские нанотехнологии».

Александр Герасименко — выпускник МИЭТа 2007 года, профессор Института биомедицинских систем МИЭТ, доктор технических наук. За двадцать лет своей жизни в науке он участвовал в целом ряде исследовательских и инженерных проектов, от создания искусственной хрящевой ткани и ранозаживляющих материалов до разработки сложных наноэлектронных структур для интегральных схем и источников электронов для рентгеновских ламп. Сегодня одна из главных «точек внимания» учёного – крупный научный проект по созданию первого отечественного имплантируемого нейростимулятора для подавления боли, который МИЭТ выполняет по заказу государства. 

Проведение экспериментальных исследований Александром Герасименко с коллегами (из личного архива) 

На стыке электроники и медицины 

– Александр, ваша специализация в науке — наноматериалы и биомедицина в разных их сочетаниях?

– В кандидатской диссертации я исследовал механизмы взаимодействия лазерного излучения с наноматериалами из металлов, углерода и многих органических соединений. Докторская диссертация стала логичным продолжением кандидатской — она посвящена формированию новых углеродных наноматериалов под воздействием лазерного излучения и возможностям их практического применения.

В электронике такие материалы можно использовать 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 кусочки разных биотканей. Например, с биологами Института 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, на которых исследовалось воздействие коронавируса 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.

«Заплатка» для сердца

– Вы занимались также покрытиями на основе углеродных нанотрубок 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 моего диссертационного исследования — 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 3D-принтера, который мы сами и разработали. 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 нитки 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 использоваться как задел для решения задач нового крупного научного проекта, в котором МИЭТ участвует с 2024 года — по исследованию микроэлектронных технологий создания нейроинтерфейсов живых-технических систем для управления передачей болевых сигналов в мозг с помощью имплантируемых нейростимуляторов.

Модуль нейростимулятора для управления передачей болевых сигналов в мозг (из личного архива)

Первый отечественный нейростимулятор для подавления боли

– 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 пространство спинного мозга, и электрический импульс, подаваемый на электроды, должен взаимоуничтожить болевой импульс. Биосовместимые электропроводящие углеродные композитные материалы, которыми мы занимаемся, станут основой электронных структур для электродов, выступающих нейроинтерфейсом между технической системой и биологической тканью спинного мозга.

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

– Помимо передачи сигналов этот нейроинтерфейс должен будет принимать и интерпретировать электрофизические сигналы о начале болевого синдрома. Это позволит нам настроить и откалибровать всю систему так, чтобы нейростимулятор автоматически распознавал боль и генерировал в ответ импульс. Для анализа сигналов мы используем искусственный интеллект.

На сегодняшний день у нас уже разработан нейростимулятор, который который отправляет стимулирующие импульсы на 16 электродов и управляется с мобильного телефона. В августе вместе с партнером по этому проекту, Российским НИИ нейрохирургии им.Поленова, входящим в состав НМИЦ им.Алмазова, мы провели эксперименты, которые продемонстрировали работоспособность нейростимулятора.

– Такой имплантируемый нейростимулятор будет работать всю жизнь в организме человека или у него есть «срок годности»?

– Чаще всего нейростимулятор имплантируется на длительное время, до десяти лет. Наши коллеги из института ПМТ МИЭТ уже активно участвуют в разработке нового покрытия для электродов нейростимулятора — структура покрытия должна оставаться стойкой и не деградировать со временем. 

Большое количество людей нуждается в таких приборах. Есть множество заболеваний нервной системы – например, болезнь Альцгеймера. Имплантируемые системы позволят но только проводить диагностику, но и стимулировать определенные области мозга. Однако, встает проблема миниатюризации имплантируемого чипа, и решать её, конечно, должна микроэлектроника – кому, как не МИЭТ, этим заниматься.

– Выходит, есть технологии, которые избавят человечество от боли? Это кажется почти фантастикой — у вас есть такое ощущение, вы увлекаетесь научной фантастикой? 

– Да, то, что раньше было фантастикой, сейчас уже реальность. Но меня самого гораздо больше, чем научная фантастика, увлекает тема становления личности — я с увлечением анализирую биографии учёных, например, Льва Ландау или Сергея Павловича Королёва. Правда, сейчас на художественную литературу всё меньше времени. Много читаю научных статей, чтобы оставаться в тренде. Наши разработки во многом междисциплинарные — приходится быть и физиком, и нанотехнологом, и отчасти химиком, биологом, медиком, образовываться во всех смежных областях.

[cut]Выступление Александра Герасименко с пленарным докладом на форуме «Микроэлектроника 2024»

(из архива пресс-службы форума «Микроэлектроника»)

В кругу единомышленников

– Вокруг вас есть круг коллег и экспертов, которым можно «позвонить среди ночи»?

– Конечно, за время моей работы сложился большой пул коллег, уже ставших друзьями. Эксперименты и исследования часто проходят в неформальном общении – так рождаются идеи будущих разработок. Когда я был аспирантом, мы занимались выявлением онкологических заболеваний — я и мой научный руководитель, профессор Виталий Маркович Подгаецкий, тесно работали с врачом отоларингологом-онкологом Светланой Александровной Агеевой. Она рассказала нам о своих пациентах, детях с таким тяжёлым заболеванием, как волчье нёбо или волчья пасть. Для его лечения нужны материалы, имитирующие хрящевую ткань — и тогда мы решили заняться созданием искусственного хряща: помню, как вместе с врачом ездили на дачу и проводили эксперименты на лабораторных кроликах, имея, конечно, на это все разрешения. Позже удалось получить на этот проект гранты, но без определённого упорства начать такие исследования было бы просто невозможно. А кролики, участвовавшие в стартовых экспериментах, потом ещё долго жили у меня на балконе.

– Ваши студенты тоже становятся вашими коллегами в науке — они участвуют в ваших исследованиях?

– Без отдачи со стороны ребят и без совместной работы с ними невозможно было бы достичь высоких результатов. Ребята 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.

– Удаётся ли вам с таким напряжённым рабочим графиком участвовать научных и научно-популярных мероприятиях?

– В этом году меня пригласили выступить в качестве организатора и модератора секций на нескольких конференциях, а также представить результаты исследований и разработок на пленарных докладах. Важное событие – организация при нашем непосредственном участии секции «Биомедицинская электроника» на Школе молодых учёных в рамках форума «Микроэлектроника 2024». Для неё были отобраны самые лучшие доклады студентов, аспирантов и молодых учёных со всей страны, в том числе из МИЭТа, по актуальным темам, объединённых микроэлектронными технологиями для биомедицины. 

Елена Жигалова