Роботизированный имплантат, который вводит лекарства и постоянно адаптируется для сохранения уровня лечения

Исследовательские группы из университета Голуэя (Ирландия) и Массачусетского технологического института (США) разработали "умное" имплантируемое устройство, которое может вводить лекарство и одновременно определять, когда сам имплантат начинает отторгаться, а также использовать искусственный интеллект для изменения формы устройства с целью поддержания дозировки лекарства и одновременного преодоления образования рубцовой ткани.

Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.

Технологии имплантируемых устройств обещают открыть новые возможности в медицине, такие как выделение инсулина для лечения диабета, однако основной проблемой, сдерживающей их развитие, является реакция пациента на инородное тело.

Разработанная технология с использованием мягкой робототехники расширяет возможности имплантируемых устройств, которые могут находиться в теле пациента в течение длительного времени, обеспечивая терапевтическое воздействие. Представьте себе терапевтический имплантат, который также может чувствовать окружающую среду и реагировать на нее по мере необходимости с помощью искусственного интеллекта — такой подход может привести к революционным изменениям в имплантируемой доставке лекарств для лечения целого ряда хронических заболеваний.

Исследовательская группа университета Голуэя и МТИ первоначально разработала гибкие устройства первого поколения, известные как мягкие роботизированные имплантаты, для улучшения доставки лекарств и уменьшения фиброза. Несмотря на успех, команда не считает эту технологию универсальной, поскольку она не учитывала реакцию отдельных пациентов, а также прогрессирующий характер фиброза, при котором рубцовая ткань формируется вокруг устройства, инкапсулируя его, препятствуя и блокируя его назначение, что в итоге приводит к его отказу.

Последнее исследование демонстрирует, как с помощью искусственного интеллекта удалось значительно усовершенствовать технологию, сделав ее чутко реагирующей на условия имплантата и способной стать более долговечной, защищаясь от естественного стремления организма отторгнуть инородное тело.

Ученые применили новый метод уменьшения образования рубцовой ткани, известный как механотерапия, когда мягкие роботизированные имплантаты совершают регулярные движения в организме, например, надуваются и сдуваются. Повторяющиеся или разнообразные движения помогают предотвратить образование рубцовой ткани.

Ключевым элементом передовой технологии в имплантируемом устройстве является проводящая пористая мембрана, которая чувствует, когда поры блокируются рубцовой тканью. Она обнаруживает блокировку, поскольку клетки и материалы, вырабатываемые клетками, блокируют электрические сигналы, проходящие через мембрану.

Исследователи измерили электрический импеданс и образование рубцовой ткани на мембране, обнаружив корреляцию. Также был разработан и внедрен алгоритм машинного обучения для прогнозирования необходимого количества и силы срабатываний для достижения стабильного дозирования лекарственных препаратов независимо от степени фиброза. С помощью компьютерного моделирования исследователи также изучили возможности устройства по высвобождению лекарственных средств с течением времени при наличии окружающей фиброзной капсулы различной толщины.

Исследование показало, что изменение силы и количества движений и изменений формы устройства позволяет ему высвобождать большее количество лекарства, что помогает обойти накопление рубцовой ткани.

Прибор самостоятельно вырабатывает оптимальный режим подачи постоянной дозы даже при моделировании значительного фиброза. Ученые использовали наихудший сценарий, когда вокруг устройства образовывалась очень толстая и плотная рубцовая ткань, и устройство справилось с этой проблемой, изменив способ нагнетания лекарств.

Новая разработка может проложить путь к созданию полностью независимых имплантатов с замкнутым циклом, которые не только уменьшают фиброзную инкапсуляцию, но и чувствуют ее со временем, а также интеллектуально регулируют активность высвобождения лекарств в ответ на нее.