Инженер-электрик Азита Эмами является экспертом в области технологий аналоговых и цифровых схем 21 века для компьютеров, датчиков и других приложений, поэтому, когда она приехала в Калтех в 2007 году, она никогда не представляла себе, что она будет включать в свои исследования форму искусства, которая возникла много веков назад. Но оригами – японское искусство сгибания бумаги – может сыграть решающую роль в ее проекте по созданию искусственной сетчатки, которая в один прекрасный день может помочь тысячам слепых и слабовидящих людей восстановить свое видение.
Имплантаты сетчатки предназначены для обхода фоторецепторов в сетчатке, которые были повреждены такими заболеваниями, как пигментная ретинит (RP) и возрастная дегенерация желтого пятна (AMD). Примерно за четыре года до того, как Эмоми прибыл в Институт, исследователи Caltech начали работу по имплантации сетчатки через Исследовательский центр биомиметических микроэлектронных систем USC, финансируемый Национальным научным фондом (NSF). Основная идея заключается в использовании миниатюрной камеры, установленной на пару очков для захвата изображений, затем обработки изображений и передачи цифровой информации по беспроводной сети на имплантируемый микрочип. Микрочип генерирует электрические токи для стимуляции, а крошечный кабель переносит токи на электродную решетку, прикрепленную к сетчатке пациента. Электроды стимулируют клетки в глазу, которые передают сигналы через зрительный нерв той части мозга, которая создает картину.
Директор центра, Марк Хумаюн, офтальмолог из Института Дохени Уокса (USC) и пионер в хирургии искусственной сетчатки, наложил такое устройство нескольким совершенно слепым пациентам, страдающим от RP на конечной стадии, восстановив часть своего зрения. 60-электродная матрица позволяет этим пациентам видеть свет, а также изображения с низким разрешением объектов и увеличенные буквы.
Однако сотни тысяч людей, которые страдают от AMD, могут увидеть, по крайней мере, сами по себе и, таким образом, не получат никакой выгоды от массива. Чтобы создать искусственную сетчатку, которая могла бы помочь этим людям, Хумаюн нуждался в лучшем чипе и массиве, в котором было больше электродов, чтобы стимулировать больше клеток в глазу. По предложению Caltech профессор электротехники и машиностроения Ю-Чонг Тай, который работал с Хумаюном по упаковке и интеграции имплантатов сетчатки, присоединился Эмоми, доцент электротехники и специалист по созданию сверхнизких мощностей чтобы сосредоточиться на имплантатах сетчатки нового поколения.
Недавно лаборатория Emami разработала именно такой чип, который поддерживает 512 электродов и может быть увеличен до 1024 электродов, если используются две чипы. Чип имеет беспроводные возможности для передачи данных по электропитанию и данным и может помещаться внутри глазного яблока, устраняя необходимость в канале, подверженном заражению, который использовался в более ранней системе. В дизайне также есть много новых технологий для уменьшения размера и мощности. Снижение энергопотребления имеет решающее значение для беспроводной подачи питания и предотвращения повреждения ткани из-за тепла, создаваемого чипом. Humayun скоро проверит чип на предметах, чтобы точно узнать, сколько их зрения восстановлено.
Но даже этот богатый электродами массив не решает две из самых больших проблем технологии: создание устройства, для которого требуется минимально инвазивный разрез для имплантации, и тот, который также соответствует форме глаза. Первоначальная электродная решетка была установлена на относительно плоской подложке, которая требовала большого хирургического разреза для имплантации. Его можно было наклеить только на одно пятно на сетчатке, чтобы не повредить нейроны, а это означало, что он оттянулся на свободный конец. И это также означало, что некоторые из электродов были бы полностью неэффективными, в то время как другим требовался больший ток от чипа, чтобы правильно стимулировать клетки сетчатки, что привело к потреблению высокой мощности.
Эмоми, Хумаюн и Тай поняли, что гибкий субстрат, который можно было бы сгибать, оригами, до имплантации, а затем открывался до изогнутой формы, когда он был внутри, понадобился бы только минимально инвазивный разрез, который должен быть вставлен на место. По словам Эмоми, вместо одного большого чипа многие мелкие чипы, распределенные по подложке и между складками, устраняют необходимость в кабеле и приводят к повышению надежности и низкой стоимости. Благодаря системе, соответствующей кривой глаза, расположение микросхем и электродов можно было бы оптимизировать с помощью конструкции оригами, точно соответствующей части глаза, которые должны быть стимулированы.
Чтобы создать такой дизайн, Эмами нанял Caltech alum Robert Lang (BS ’82, PhD ’86), один из ведущих мировых экспертов по оригами. Ланг, который практикует оригами более 40 лет, известен разработкой математических уравнений, позволяющих создавать сложные конструкции оригами. В течение лета Emami получил грант NSF, чтобы построить первый прототип имплантата оригами, который будет вписываться в глаз и соответствовать контуру сетчатки.
«Я привык работать с бумагой, которая начинается с площади не менее двух дюймов», – говорит Ланг. Это новое создание, однако, будет меньше одной четверти этого размера, будет сделано из пластика и должно будет развернуться совершенно после хирургической имплантации.
Помощником Ланга в проекте является Серджио Пеллегрино, профессор Джойс и Кент Креса из Aeronautics и профессор гражданского строительства и старший научный сотрудник JPL. Пеллегрино – эксперт по разработке оригами-подобных структур, но в гигантском масштабе: он разрабатывает легкие расширяемые конструкции для использования на космических аппаратах, такие как складные стрелы, которые служат в качестве антенн и развертываемых мачт.
Способность переводить эти виды очень больших конструкций на то, что может быть ненавязчиво вставлено, а затем развернуто в глазу »- вопрос масштабирования, и это технический принцип. Это то, что делают инженеры », – говорит Арес Росакис, председатель отдела инженерных и прикладных наук. «Разница в том, что в Caltech мы также изобретаем и масштабируем наши собственные изобретения: мы изобретаем что-то для X, и мы используем его для Y. Так кто-то вроде Pellegrino может изобретать что-то для космоса, а затем иметь фантастические успехи, масштабируя его для использования в медицинской технике «.
Пока Пеллегрино и Ланг работают над оригами, Эмами продолжит работу над чипом. К концу следующего года они надеются показать на животных моделях, что подложка оригами может быть вставлена в глаз, развернута и удерживается на месте либо сетчаткой, либо менее инвазивным методом, а также использованием оригами. Вскоре после этого они надеются иметь складную искусственную сетчатку, которая может быть проверена пациентом.
После того как Emami считает, что новая технология имплантации сетчатки может быть применена к другим медицинским применениям, таким как нейронные имплантаты, которые разрабатываются, чтобы помочь парализованным людям восстановить движение. «Наш подход оригами принципиально отличается и может привести к созданию новой области в области техники с большим влиянием на неврологию и биомедицинские устройства», – говорит Эмоми. «Мы можем принести пользу многим людям».