ИСКУССТВЕННЫЙ НЕРВ

Изобретение относится к области электропроводящих материалов, а именно к искусственным нервам на основе полимеров. Изобретение может быть использовано в нейрохирургии и протезировании при изготовлении бионических конечностей или же в качестве самостоятельного имплантата, а также в робототехнике, в частности при производстве высокоточных манипуляторов.

Известен протез лицевого нерва, в котором модуль сбора сигналов собирает электромиографические сигналы мышц лица здоровой стороны лица, упомянутые сигналы посылаются к элементу управления и модулю обработки для завершения анализа, обработки и преобразования сигналов. Электростимуляция на мышцы пораженной стороны реализуется микростимуляцией электродов таким образом, что вызывает сокращение мышц лица (CN 101185788 А, А61В 5/0488, 28.05.2008).

Недостатком данного протеза лицевого нерва является то, что его работа зависит от работы мышц части лица со здоровым лицевым нервом, то есть в случае, если такой нерв отсутствует, его применение невозможно.

Известен медицинский искусственный трансплантат ствола нерва, включающий оболочку или оболочку со вставленным в нее строительным волокном, при этом оболочка содержит множество микропор, и оболочка и/или строительное волокно содержат фиброин шелка (ЕР 1938774 A1, A61F 2/04, 02.07.2008).

Недостатком описанного трансплантата является то, что он может служить только для восстановления поврежденных участков нервов и не способен передавать сигнал исполнительному органу.

Известен токопроводящий полимерный композит, состоящий из поликапролактонового фумарата и полипиррола (электропроводящего полимера), предназначенный для регенерации нерва. При пропускании сквозь нерв тока в присутствии упомянутого композита наблюдалось восстановление нервного волокна в направлении приложенного тока (US 2013331869 A1, A61F 2/04, 12.12.2013).

Ограничение в использовании описанного композита заключается в том, что его нельзя использовать в качестве отсутствующих участков нерва, принимающих или передающих сигнал органам.

Задачей предложенного изобретения является создание безвредного гибкого износостойкого полимерного электропровода, который может являться аналогом нервного волокна.

Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение возможности искусственного нерва принимать и передавать электрические импульсы, полученные непосредственно от живого нерва, и обеспечение сродства между ними при сниженном времени отклика и сопротивлении, а также при достаточной упругости и прочности искусственного нерва.

Технический результат достигается за счет того, что предложен искусственный нерв, представляющий собой среду по крайней мере из одного органического электропроводящего полимера, которая обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и которая обвита по крайней мере одним слоем полимерного диэлектрика, причем по крайней мере на один конец искусственного нерва нанесена катионообменная мембрана.

Электропроводящий полимер может быть выбран из группы: полипиррол, полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин и их смесь. Указанные вещества обладают высокой биосовместимостью с нервной тканью, а также они обладают свойством заживлять нервы.

Полимерный диэлектрик может быть выбран из группы: полиэтилен, полистирол, смесь полистирола и его сополимера, политетрафторэтилен, полиамид и их смесь. Указанные вещества отличаются высокой температуро- и химической устойчивостью.

В качестве катионообменной мембраны можно использовать мембрану марки МК-40 или мембрану марки nafion-117, которые обладают высокой химической устойчивостью. Мембрана МК-40 является наиболее доступной, а мембране nafion-117 свойственна повышенная стойкость от набухания при соприкосновении с водой.

Раствор калия и натрия может представлять собой, например, раствор KCl и NaCl.

Для усиления проходящего импульса искусственный нерв может дополнительно содержать нановолокна поливинилиденфторида.

В случае если искусственный нерв должен играть роль чувствительного, к его концу должна быть присоединена матрица из пьезоэлектриков.

Матрица из пьезоэлектриков может представлять собой матрицу нановолокон поливинилиденфторида, которые являются достаточно прочными и восприимчивыми к соприкосновениям.

Долгое время существовала проблема создания искусственного аналога нервного волокна - биосовместимого электропроводящего материала, который можно было бы сшить с нервом. Однако большинство проводников являются металлами и другими неорганическими веществами, очень далекими по химическому сродству с нервной тканью. Подобную проблему можно решить, используя органические электропроводящие полимеры, предпочтительно, полипиррол, полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин или их смесь. Перечисленные полимеры, являясь безвредными, обладая высокими температуро- и химической устойчивостью, помимо всего прочего, способны не только сшиваться с нервами, но при пропускании сквозь нерв тока способствуют восстановлению нервного волокна, что было установлено экспериментально. В наиболее выраженной форме такое свойство проявляет полипиррол.

Токовый импульс в живом нерве проходит сразу в обе стороны, то есть из мозга - в аксон, передающий импульс рабочему органу, и наоборот - из аксона в мозг, при этом импульс передается в обе стороны по всему объему нервного волокна. В первую очередь это происходит за счет перемещения по объему волокна зарядов в обе стороны: в качестве отрицательного заряда служат электроны, а в качестве положительного - ионы натрия, причем полный ионный ток обуславливается сразу тремя явлениями: движением ионов натрия, противоположным движением ионов калия и током утечки, расходующимся на работу принимающих органов. Чтобы обеспечить способность искусственного нерва к ионному обмену с настоящим, он должен обладать сквозной пористостью, причем поры должны быть заполнены раствором ионов натрия и калия, например в виде раствора NaCl и KCl, при этом на сшиваемый конец искусственного нерва необходимо нанести катионообменную мембрану, пропускающую ионы щелочных металлов.

В дальнейшем перед проведением искусственной иннервации необходимо будет механическим способом сделать на конце искусственного нерва углубление. При сшивании в это углубление помещается конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. В таком случае волокно и оболочка срастаются с полимером. Более того, использование полимеров полиазулена, политиофена, поли-α-нафтиламина, а в большей степени полипиррола, приводит к заживлению и ускоренному разрастанию нервной ткани.

В качестве мембраны можно использовать химически устойчивую мембрану марки МК-40, представляющую собой композит из ионообменной смолы КУ-2 и полиэтилена, гомогенную мембрану nafion-117, представляющую собой сополимер тетрафторэтилена и перфторированного сульфосодержащего винилового эфира, а также многие другие катионнообменные мембраны, которые следует подбирать, исходя из их химической стойкости, цены и величины пор.

При возбуждении нейрона или его отростка - аксона, ионы Na⁺ устремляются внутрь упомянутого нейрона. В противоход потоку ионов Na⁺ из клетки через мембрану диффундирует компенсирующий поток ионов K⁺, который несколько запаздывает. Аналогичное явление можно наблюдать и при прохождении ионов через искусственную катионнообменную мембрану, что связано с различием в размерах ионов калия и натрия (радиус иона калия - 133 пм, натрия - 97 пм), притом что такие характеристики, как электроотрицательность и электродный потенциал, у них слабо различаются.

Этот процесс приводит к возникновению отрицательного заряда на наружной поверхности клеточной мембраны. Внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд, что провоцирует возникновение потенциала действия.

В случае сшивания живого нерва с предложенным искусственным аналогом зарождение потенциала действия имеет место быть не на границе "живой нерв (или искусственный нерв) - принимающий орган", а на границе "живой нерв - искусственный нерв", поскольку последний в таком случае и будет служить в качестве промежуточного принимающего органа, который в дальнейшем передаст импульс в конечный принимающий орган. О недостатках подобного устройства судить сложно, однако очевидно, что такая разница станет нести отрицательный эффект в том случае, если будет происходить дополнительная потеря тока на протяжении искусственного нерва в виду его свойств.

Чтобы исключить сильную потерю тока, упомянутый искусственный нерв должен быть полностью или частично обвит по крайней мере одним слоем полимерного диэлектрика. Оставить оголенные участки можно лишь в местах соприкосновения с принимающим органом. В качестве диэлектриков в виду наличия нижеописанного ряда преимуществ рекомендуется использовать следующие соединения:

- политетрафторэтилен, который обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям и имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от -270 до +260°C), не растворяется в органических растворителях, не смачивается водой;

- полиамид, который характеризуется высокой прочностью, износостойкостью, химической устойчивостью в различных маслах, разбавленных кислотах и щелочах;

- полиэтилен, который характеризуется устойчивостью к агрессивным средам (кроме окислителей) и влагонепроницаемостью, однако в среде углеводородов и их галогенопроизводных ему свойственно набухать. Полиэтилен может эксплуатироваться в пределах температур от -20 до +100°C. Его теплостойкость можно повысить облучением;

- полистирол, который характеризуется устойчивостью к действию слабых растворов кислот, щелочей и алифатических углеводородов, обладает высокой механической прочностью, гибкостью и эластичностью.

Стоит отметить, что изготовление пленок чистого полистирола толщиной менее 100 мкм очень затруднительно, но если использовать его в смеси с сополимером(-ами), в промышленности практикуется изготовление подобных пленок толщиной около 20 мкм, что вполне сравнимо с размерами нервных волокон. В качестве сополимера можно использовать, например, стирол-бутадиен-стирол или политетрафторэтилена.

Предложенный искусственный нерв, обвитый указанными полимерными диэлектриками, в виду наличия у последних таких свойств, как температуроустойчивость и химическая устойчивость, имеет возможность использоваться в агрессивных средах, например, в машиностроении и робототехнике в качестве элемента передачи импульса тока в сверхточных манипуляторах.

В первую же очередь предложенный искусственный нерв предназначен для его использования как в качестве токопроводящего элемента бионических конечностей, так и в качестве самостоятельного имплантата, заменяющего живой нерв.

В случае его применения в бионической конечности нужную реакцию (скорость и траекторию движения) данной конечности на импульс тока, поступающий через искусственный нерв, можно обеспечить, например, грамотной регулировкой нейрокомпьютерного интерфейса (регулировкой ответа элементов конечности на тот или иной входящий сигнал) или же подбором материала с нужными свойствами (искусственных мышц), в которые поступает импульс.

Относительно возможности применения искусственного нерва в качестве самостоятельного имплантата стоит отметить следующее.

В живом организме нервно-мышечная передача является более сложным, нежели передача импульса в бионических конечностях, процессом, сопровождающимся биохимическими реакциями в нервных окончаниях. Важную роль в нервно-мышечной передаче играют такие вещества, как нейромедиаторы, по сути являющиеся посредниками в передаче импульса.

Вместе с тем известно, что живые, но денервированные мышцы способны сокращаться автоматически в результате действия импульсов тока (Козловская Л.Е., Волотовская А.В. Электродиагностика/учебно-методическое пособие для врачей, Минск, БелМАПО, 2010, стр. 8, абзац 3).

Также известно, что после полной реакции перерождения мышца перестает реагировать на фарадический ток и реагирует только на гальванический (http: //www.n-bolezni.ru/top_diagn/2_1_3.html, а также Козловская Л.Е., Волотовская А.В. Электродиагностика/учебно-методическое пособие для врачей, Минск БелМАПО, 2010, стр. 11, абзац 7), при этом во время непосредственного раздражения мышцы данным видом тока она реагирует вялым сокращением (Козловская Л.Е., Волотовская А.В. Электродиагностика/учебно-методическое пособие для врачей, Минск, БелМАПО, 2010, стр. 8, абзац 3).

Исходя из вышеописанного можно сделать вывод, что нейромедиаторы являются крайне желательными биохимическими корректорами передачи импульса, но в случае, если импульс представляет собой постоянный электрический ток невысокого напряжения и небольшой силы (гальванический ток), передача данного импульса может происходить и без их участия.

После получения электрического импульса от живого нерва движением ионов натрия и противоположным движением ионов калия в предложенном нерве формируется гальванический ток. При этом реакция мышц усиливается за счет того, что предложенный нерв подсоединяется к мышечным волокнам непосредственно. Если же возбуждение мышечных волокон гальваническим током проводить, например, с помощью миостимуляторов через кожу, жировые отложения и т.д., то за счет электросопротивления последних мышцы будут реагировать очень слабо.

В том случае, если живой нерв умер давно, существует вероятность полной потери мышцами электровозбудимости и их некроза. Для недопущения этого на протяжении всей болезни настоятельно рекомендуется проводить их стимуляцию, такую как электрофорез, массаж, миостимуляцию и т.д.

В случае же полной или частичной реакции перерождения, как вытекает из вышесказанного, предложенный бионический нерв способен обеспечить, хоть вялое и неполноценное, но движение живых мышц.

При этом указанный недостаток можно отчасти компенсировать, если искусственный нерв будет содержать нановолокна органического полимера поливинилиденфторида, которое можно получать в процессе так называемого электропрядения. У этого вещества были обнаружены пьезоэлектрические свойства, при этом он имеет много преимуществ по сравнению с неорганическими веществами, генерирующими ток: он не является хрупким, а также имеет большее сродство с полипирролом, полиазуленом, политиофеном и поли-α-нафтиламином, из которых в большей степени может состоять полимерный искусственный нерв.

Использование нановолокна поливинилиденфторида приведет к компенсации неполноценного возбуждения мышц искусственным нервом. Когда исходный сигнал мозга через нерв дойдет до исполнительного двигательного органа, движение последнего приведет к движению искусственного нерва, в котором вместе с ним станут деформироваться нановолокна поливинилиденфторида, усиливая поступающий сигнал.

Описанное усовершенствование рекомендуется применять в случае, если искусственный нерв служит в роли двигательного. Если же он служит в роли чувствительного, то к его концу, который должен принять сигнал, то есть "чувство", должна быть присоединена матрица из пьезоэлектриков, в роли которых могут служить, например, элементы из пьезоэлектрической керамики, изготовленной из цирконататитаната свинца PbZrO₃ - PbTiO₃, или элементы, состоящие из Bi₁₂GeO₂₈ или Bi₁₂SiO₂₀, однако ввиду высокой прочности и чувствительности предпочтительно использовать нановолокна поливинилиденфторида.

При реализации такой схемы движение пьезоэлектриков приведет к созданию сигнала-чувства, идущего в мозг.

В том случае, если исполнительный орган имеет искусственное происхождение (искусственная мышца, нейрокомпьютерный интерфейс), как отмечалось выше, проблема "вялого движения" мышц отпадает, поскольку ответную реакцию искусственных органов можно задать за счет регулировки нейрокомпьютерного интерфейса или подбора материала искусственных мышц заданного размера.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

Был изготовлен искусственный нерв длиной 10 см, толщиной (без учета диэлектрика) 1,5 мм. Вначале произвели смешивание политиофена, поли-α-нафтиламина и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас.%:

В качестве вспенивателя использовали порофор марки ДФ-3. Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 240°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4-х минут - до завершения процесса сквозного порообразования, остудили до температуры 150°C и начали пропускать через фильеру диаметром 1,5 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 минут пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 9 мас.% NaCl и 9 мас.% KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из политетрафторэтилена, толщиной 25 мкм, остудили до комнатной температуры, на концы нанесли катионнообменную мембрану МФ-4СК, и поместили указанные концы в раствор, содержащий 9 мас.% NaCl и 9 мас.% KCl.

С нерва частично сняли слой политетрафторэтилена.

Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская ток посредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки.

Также проводились исследования на упругость, прочность при растяжении и сжатии.

Измеренные характеристики искусственного нерва представлены в таблице 1.

После измерений с одного конца нерва была удалена катионнообменная мембрана.

Вторая часть опыта заключалась в том, что под наркозом лягушке начали производить замену нижней части мышечного нерва задней левой лапки. Лягушку поместили в спиртовой раствор, содержащий бензокаин, на 20 минут. После ее обездвижения, свидетельствовавшего о наступлении анестезии, хирургу было предложено произвести замену нижней части мышечного нерва задней левой лапки таким образом, чтобы вживляемый нерв проходил так же, как должен проходить настоящий, причем чтобы оголенные от диэлектрика части нерва соприкасались с мышцами.

После удаления части мышечного нерва на конце его искусственного аналога механическим способом сделали углубление, поместили в углубление активированный конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. Затем по совмещаемым краям наложили эпиневральные швы с помощью медицинского полиуретанового клея КЛ-3.

Через несколько часов после операции лягушка могла вяло и со слабой амплитудой совершать движения прооперированной лапкой. Спустя несколько дней можно было сделать заключение о приживлении имплантата.

При совершении прыжков лягушка часто поворачивалась в левую сторону. Это свидетельствовало о том, что левая лапа в части замененного нерва работала неполноценно - нервный сигнал возбуждал мышцы слабо, а также, по всей вероятности, информация мозга о траектории движения была искажена. Но все же, поскольку все аспекты технического результата были достигнуты и левая лапа в части замененного нерва тем не менее работала, можно сделать вывод о работоспособности предложенного искусственного нерва.

Пример 2.

Был изготовлен искусственный нерв длиной 25 см, толщиной (без учета диэлектрика) 2,5 мм. Искусственный нерв являлся аналогом хвостового нерва кошки.

Вначале произвели смешивание полипиррола, политиофена и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас.%:

В качестве вспенивателя использовали порофор n-толуолсульфонилсемикарбазид (PTSS). Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 260°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4-х минут - до завершения процесса сквозного порообразования, и остудили до температуры 150°C. Затем добавили в нее нановолокна поливинилиденфторида в количестве 9 мас. % и начали пропускать через фильеру диаметром 2,5 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 минут пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 7 мас.% NaCl и 7 мас.% KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из полистирола и стирол-бутадиен-стирола, толщиной 20 мкм, остудили до комнатной температуры, на концы нанесли катионнообменную мембрану марки МК-40, и поместили указанные концы в раствор, содержащий 7 мас.% NaCl и 7 мас.% KCl.

С нерва частично сняли слой полистирола и стирол-бутадиен-стирола.

Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская ток посредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки.

Измеренные характеристики искусственного нерва представлены в таблице 1.

После измерений с одного конца нерва была удалена катионнообменная мембрана.

Вторая часть опыта заключалась в том, что под общим наркозом начали производить иннервацию кошке, из-за давней травмы лишившейся возможности двигать хвостом. Хирургу было предложено произвести искусственную иннервацию таким образом, чтобы вживляемый нерв проходил так же, как должен проходить настоящий хвостовой нерв кошки, причем чтобы оголенные от диэлектрика части нерва соприкасались с мышцами.

Вначале механическим способом сделали на конце искусственного нерва углубление, поместили в углубление активированный конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. Затем по совмещаемым краям наложили эпиневральные швы.

По истечении двух суток после операции кошка могла со слабой амплитудой совершать медленные движения хвостом. Еще спустя несколько дней можно было сделать заключение о приживлении имплантата. Из-за химической инертности и биосовместимости компонентов его воздействие на организм можно сравнить с воздействием зубной пломбы.

Как отмечалось выше, очевидно, что из-за отсутствия биохимических реакций, связанных с выделяющимися в нервных окончаниях нейромедиаторов, несмотря на реализацию механизма образования гальванического тока в искусственных нервах с участием ионов натрия и калия, сродного с механизмом образования тока в живых нервах, и несмотря на усиление сигнала тока с помощью нановолокон поливинилиденфторида, предложенный искусственный нерв не может гарантировать восстановление таких сложных функций, как, например, восстановление возможности человека писать, шить, делать быстрые непрямолинейные движения и производить другие физиологически сложные операции. Однако из описания данного изобретения очевидно, что вместе с тем он способен восстановить такие несложные функции, как небыстрое махание хвостом, дергание лапкой, поднимание руки, шаг ногой и так далее. А в связи с тем, что большая часть движений живого организма являются таковыми, можно сделать вывод, что предложенный нерв во многом способен заменить настоящий.

Более того, также стоит отметить тот факт, что нервная система многих видов имеет поразительную способность успешно восстанавливать синаптические соединения, которые были нарушены в результате травмы (http: //nervonet.ru/?cat=5&paged=2). Но поскольку на данном этапе нет никакого вещественного подтверждения, что предложенное изобретение может поспособствовать восстановлению синапса и биохимических процессов, протекающих в нем и связанных с выделением нейромедиаторов, этот вопрос является почвой для совершенствования искусственного нерва, дальнейшего развития данной области и новых изобретений, которые окажутся способны в полной мере возвращать людям их чувства и движения.

В связи с тем, что предложенный искусственный нерв обладает сниженным временем отклика и сопротивлением, а также достаточной упругостью и прочностью, и при этом он способен принимать и передавать импульсы живого нерва, имея с ним сродство, изобретение может использоваться при иннервации парализованных или лишившихся чувствительности частей тела, а также при создании протезов, в том числе бионических конечностей. Предложенное изобретение также может найти применение в машиностроении и робототехнике, в частности при конструировании высокоточных манипуляторов.