Чип нам в ухо, и не только в ухо

В скором времени это будет не такая уж и фантастика – электронный чип, питающийся соками организма.
Фото из архива автора

Вы приходите домой или на работу и привычным движением руки включаете компьютер, на что чутко реагирует удаленный от вас электросчетчик, считающий расходуемые киловатты энергии. А ведь наш организм вырабатывает достаточно тепловой и электроэнергии, правда, в виде ионных потоков, чтобы «запитать» любой из ныне существующих электронных гаджетов. В этом не сомневаются сотрудники гонконгского политехнического университета, создавшие первый эластичный электропроводящий материал на основе углеродного нановолокна и сверхрастяжимого полимера, состав которого по понятным причинам не разглашается. Известно только, что он способен растягиваться и сжиматься подобно резиновым жгутам эспандера. Нанесенные на поверхность полимера нановолокна создают тонкий электропроводящий слой, который благодаря полимерной подложке не разрушается даже при 2000 килопаскалях давления на него.

В недалеком будущем материал будет облегать все изгибы тела, служа надежным датчиком его состояния и не требуя никаких проводов при проведении тех же ЭЭГ и ЭКГ. Ученые уже продемонстрировали подошвы кроссовок с «вшитыми» в них электрическими схемами, позволяющими «черпать» даровую энергию при ходьбе человека.

Энергия в организме, как известно, генерируется при расщеплении АТФ, главного энергоносителя клетки. Расщепление АТФ необходимо для мышечного сокращения и генерации нервного импульса. Однако энергия распада химической связи не может непосредственно преобразоваться в движение электронов, то есть в ток. Нервная, да и другие клетки, используют для этого ионные токи, создаваемые специальными белковыми каналами, локализованными в клеточной оболочке-мембране. При раздражении нейрона ионы калия по каналу устремляются из клетки, а внутрь нее поступают ионы натрия. Вот для работы этих ионных помп-насосов и расходуется АТФ, для выработки которой, в свою очередь, необходима глюкоза, окисляемая до углекислого газа и воды.

Однако есть в организме, по крайней мере, одно местечко, где имеется исходная неравномерность концентраций ионов калия и натрия. Это – небольшая камера с эндолимфой во внутреннем ухе, или улитке. Ее канал разделен перегородкой пополам, и на ней сидят слуховые нейроны (ворсинчатые клетки), которые своими тончайшими выростами чутко улавливают колебания эндолимфы, вызванные передаточным «рычажком» в виде трех слуховых косточек – знаменитого стремечка, молоточка и наковаленки. Механические колебания волосков преобразуются в ионные токи, которые и создают потенциал. А далее волна сгенерированного электрического импульса распространяется по слуховому нерву в мозг.

Все это известно уже больше века, но только развитие микроэлектроники и «чипостроения» позволило практически использовать перепад ионных концентраций эндолимфы для запитки чипа энергией! Новый микрочип создан сотрудниками Массачусетского технологического института и их коллегами из Гарвардского университета.

Миниатюрный чип по площади чуть более четверти одноцентовой монетки имплантировали в полость среднего уха морской свинки, а два электрода от него ввели во внутреннее, или канал улитки. Перепад концентрации ионов калия и натрия оказался достаточным, чтобы питать энергией чип, который стал передавать ученым интересную и полезную информацию (самая что ни на есть «утечка изнутри»).

Ученые, опубликовавшие описание нового «пассивного» чипа в журнале Nature Biotechnology, отмечают, что в организме имеются другие сходные места, куда можно вживлять чипы, не требующие замены из-за расходования ресурса батарейки. Такие чипы могут использоваться как для мониторинга состояния органов, так и для возможных терапий, но это пока еще в будущем. Первую Нобелевскую премию за открытие натрий-калиевых каналов в нервных отростках присудили в далеком 1964 году. Но пришлось ждать развития микроэлектроники, чтобы мечта ученых стала явью для инженеров и разработчиков всякого рода микроэлектронных устройств.