Электроника постепенно перестает быть просто набором бездушных деталей в жестком корпусе. Она учится быть гибкой, живой и напрямую общаться с биологическими системами, например с тканями человека. Исследователи из Университета Бингемтона (США) сделали большой шаг к этому будущему. Они создали «живые металлические» композиты — смесь жидкого металла и бактериальных спор. Это открывает дорогу к настоящему диалогу между электроникой и биологией.

В журнале Advanced Functional Materials вышла статья профессора Сокхына «Шона» Чхве, Мэриам Резай и докторантки Янг „Лекси“ Гао. Они рассказали о жидких живых металлических композитах, которые могут переопределить биоэлектронику. Профессор Чхве работает на инженерном факультете и давно ищет способы подружить электронику с живыми системами.

Раньше в своих проектах он использовал токопроводящие полимеры. С жидкими металлами работать сложнее: они отталкивают воду и плохо прилипают к электронным платам. На воздухе или в воде на жидком металле быстро образуется пленка оксида, которая мешает току. Это как ржавчина на проводе — связь между электроникой и биологией нарушается.

Но и с полимерами, по словам профессора, не все гладко:

Меня не устраивал интерфейс — он был не идеальным. Полимеры проводят ток, но хуже, чем настоящий металл. А еще большинство биоэлектронных устройств работают в суровых условиях, их постоянно механически повреждают. Им нужно уметь самовосстанавливаться.

И тут на помощь приходят бактерии, которые вырабатывают крошечное количество электричества. Профессор Чхве уже использовал их для создания биобатарей.

Команда соединила жидкий металл со спорами бактерии Bacillus subtilis. Споры — это как семена: они могут спать годами в плохих условиях, а проснуться, когда все станет хорошо. Когда споры смешиваются с каплями жидкого металла, между ними возникает мощное притяжение. На поверхности спор есть химические группы, которые взаимодействуют с оксидной пленкой металла. Они буквально разрывают эту пленку, и металл снова становится отличным проводником. Полученный композит легко впитывается в бумагу или другие подложки, сохраняя все лучшие свойства металла. А когда споры прорастают, проводимость даже улучшается.

Но главное — самовосстановление. Если в материале появляется разрыв, композит сам затягивает его. Представьте, что провод порвался, а он сам «сросся» за секунды. Для устройств, которые нельзя быстро заменить (например, внутри тела человека), это настоящий прорыв.

Что было раньше

Ученые пытались использовать полимеры или простые металлы. Полимеры хуже проводят ток и не восстанавливаются. Жидкие металлы по отдельности отталкивают воду и покрываются оксидной пленкой. Добавление спор — это именно прорыв, потому что решает сразу три проблемы: проводимость, совместимость с биологией и самовосстановление.

Сколько это стоит

Пока сложно говорить о точной цене. Жидкий металл (например, галлий и его сплавы) сам по себе дороже меди, но не запредельно. Споры бактерий выращивать дешево. Основные затраты пока на лабораторное оборудование и исследования. Для массового производства технология скорее всего окажется доступной — компоненты не редкие. Но первые устройства будут дорогими из-за новизны.

Этика и возможный вред

Живые бактерии внутри тела — звучат пугающе. Bacillus subtilis в целом безопасна для человека, ее споры есть в почве и даже в нашем кишечнике. Но при прорастании бактерии могут выделять продукты обмена. Никто не проверял, как долгосрочное соседство с таким электродом повлияет на иммунитет и не вызовет ли воспаление. Также есть риск, что генетически модифицированные споры (если их потом сделают) вырвутся наружу. Но пока работа этична — все эксперименты идут в пробирках.

Ограничения

Исследование блестящее, но есть важный недостаток. Пока ученые не могут полностью контролировать, когда именно споры прорастают. В реальном имплантате они могут проснуться в неподходящий момент или, наоборот, не проснуться, когда надо. Долговременная стабильность в разных средах (кислой, теплой, внутри тела) тоже не проверена. Без решения этого вопроса коммерческого применения не будет. По сути, авторы показали, что «это работает в принципе», но до надежного устройства еще далеко.

Сравнение с аналогами

Прямых аналогов нет. Есть самовосстанавливающиеся полимеры (медленно и не полностью). Есть жидкие металлы с оксидной пленкой, но без спор они не годятся для биоинтерфейсов. Есть гидрогели с бактериями, но они непрочные. Живой металл Чхве — первый, который сочетает:

• Высокую проводимость настоящего металла
• Полное самовосстановление
• Биосовместимость

Когда технология станет доступной

Не раньше чем через 5–7 лет. Сначала нужно решить проблему контроля спор. Потом создать прототип, например гибкий датчик или стимулятор для раны. Клинические испытания на людях — это еще 3–5 лет. В массовых гаджетах вроде умных часов такая технология появится в лучшем случае через 10 лет. А в серьезных имплантах — еще позже.

Пока ученым нужно провести больше экспериментов, чтобы научиться управлять пробуждением спор и проверить, как долго композит проработает в разных условиях. В будущем такие материалы позволят создавать носимые или вживляемые устройства, которые безопасно контактируют с тканями человека. Профессор Чхве объясняет главную сложность:

Биологические системы общаются с помощью молекул и ионов, а электроника — с помощью электронов. Возникают ошибки связи. Электрогенные бактерии используют и молекулы, и ионы, но при этом генерируют электроны. Вопрос в том, как идеально встроить такие бактерии в живой электрод, чтобы соединить две эти системы.

Ранее ученые разработали электронное подобие кожи.