Veijo Hänninen

Biologiaa ja elektroniikkaa

Kun sähköllä on ihmiskehossakin merkittävä rooli niin biologia ja elektroniikka ovat löytäneet toisensa jo vuosikymmeniä sitten esimerkiksi sydämentahdistimien muodossa.

Nykyään pyritään yhä syvemmälle kuten aivoihin mutta toisaalta myös vähemmän tungetteleviin mittaustapoihin.

Tulostettava ja joustava kuumeanturi

Kehon lämpötila lienee terveydenhoidon mitatuin suure ja siihen on tarjolla vaikka minkälaisia välineitä.

Tokion yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt tulostettavan, joustavan ja kevyen anturin, joka reagoi nopeasti pieniin lämpömuutoksiin ihmisen ruumiinlämmön alueella.

Tutkijoiden kehittämä uudenlainen lämpötila-anturi osoittaa erittäin vahvaa resistanssin muutosta aina 100000-kertaisesti vain viiden asteen laajuisella alueella. Näin voidaan toteuttaa tarkka lämpötilan mittaus ilman kovin monimutkaisia näyttöpiirejä.

Kehitetty anturi voidaan kiinnittää biologiseen kudokseen, kuten ihoon tai laastariin. Sen voisi tulostaa esimerkiksi kipsattavan haavan päälle tarjoamaan varoituksen infektiosta paikallisesta lämpötilan muutoksesta johtuvasta tulehduksesta.

Anturi hien analysointiin

Kehon eritteitä on käytetty iät ja ajat terveyden seurantaan ja nanotekniikka tulee tarjoamaan tähän aivan uusia mahdollisuuksia.

Berkeleyn insinöörit ovat kehittäneet täysin integroidun sähköisen järjestelmän, joka voi tarjota jatkuvaa, ei-invasiivista seurantaa useista hien biokemikaaleista.

Kehitys avaa ovia puettaville laitteille, jotka ilmoittavat käyttäjille terveysongelmista, kuten väsymys, nestehukka ja vaarallisen korkeat kehon lämpötilat.

Ihmisen hiki sisältää fysiologisesti rikasta informaatiota mutta se on monimutkainen seos, josta on tarpeen mitata useita aineita, jotta siitä voi poimia mielekästä tietoa terveydentilasta.

Tutkimusryhmän kehittämä prototyyppi paketoi viisi anturia joustavalle piirilevylle ja ne mittaavat aineenvaihdunnan glukoosia ja laktaattia, elektrolyyttejä natrium ja kalium sekä ihon lämpötilaa.

Grafeeni sopii myös bioelektroniikkaan

Äskettäisessä Graphene Flagship –järjestön tukemassa tutkimuksessa osoitettiin, että on mahdollista pistää grafeeni rajapinnaksi neuronisolujen kanssa vaikka samalla ylläpidetään näiden vitaalisten solujen eheyttä.

MIT:n tutkijat havaitsivat puolestaan jokin aika sitten, että kuten solujen biologiset kanavat, tietynlaiset grafeenihuokoset ovat selektiivisiä tietyntyyppisille ioneille, joten näillä huokosilla on samanlaisia ominaisuuksia kuin elävien solujen ionikanavilla. Täten tutkijat voivat jonain päivänä räätälöidä huokosia nanomittakaavassa luoden ionispesifisiä kalvoja.

Grafeenia rei’ittämällä myös UCLA California NanoSystems Instituten tutkijat kehittivät tavan sijoittaa molekyylejä tiettyihin malleihin, joita he tarvitsevat pienissä nanoantureissa.

Reikäsabluuna mahdollistaa molekyylien liittyä kultaan tarkalleen haluttuun paikkaan. Molekyylien tarkan kiinnittymisen avulla voi määrittää tarkan kuvioinnin, joka on avain rakennettaessa nanoelektronisia bioantureita.

Menetelmä voisi olla tehokkaampi kuin nykyiset molekyylikuvioinnin nanolitografiset menetelmät.

Rakenteeseen perustuvat neurosensorit voisivat olla hyödyllisiä erityisesti mitattaessa aivosolujen ja piirien toiminta reaaliajassa.

Ihmiskehoon sulautettua elektroniikkaa

Keväällä 2013 Princetonin yliopiston tutkijat kertoivat tuottaneensa 3D-tulostuksella ihmisen korvakudoksen, johon on integroitu radiosignaaleja vastaanottava antenni.

Ajatuksena on tutkia eri tapoja yhdistää elektroniikkaa ihmiskudosten kanssa ja siten ihmisten ominaisuuksia parantavien ja laajentavien bionisten elinten ja laitteiden suunnittelua ja toteutusta eli kybernetiikkaa.

Tällä alalla on potentiaalia tuottaa räätälöityjä varaosia ihmiskehoon tai jopa elimiä, jotka sisältävät ominaisuuksia, joita ihmisen biologia ei yleensä tarjoa, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Tutkijat käyttivät tavallisia 3D-tulostimia yhdistämään bionisen kasvatuksen tukirakenteeseen vasikan soluja sekä hopeananohiukkasia muodostamaan antennin.

Bioelektronista integraatiota

Bioelektroniikalta toivotaan myös aktiivista toimintaa ihmiskehossa.

Ruotsalaisten tutkijoiden kehittämä pieni orgaanisella elektroniikalla toteutettu ionipumppu antaa uutta toivoa ihmisille jotka kärsivät vakavista hermosäryistä.

Kokeiden mukaan Linköpingin yliopiston ja Karolinska Institutin tutkijoiden kehittämä tekniikka voi pysäyttää kipuimpulsseja elävissä, vapaasti liikkuvissa rotissa käyttäen kehon omaa kivunlievityksen signaaleja.

Implantoitava "ioni pumppu" ohjaa elimistön omaa tuskanlievittäjää paikkaan, jossa aivoihin lähetettävät kipusignaalit saavuttavat selkäytimen. Näin kipuimpulssit eivät koskaan pääse aivoihin asti.

Pumppua voitaisiin käyttää toimittamaan myös muita terapeuttisia aineita aivoihin tai muihin kehon osiin. Menetelmällä voi olla kliinistä käyttöä viiden - kymmenen vuoden aikana arvioivat tutkijat.

Keinotekoinen hermosolu

Karolinska Institutin ja Linköpingin yliopiston tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan myös täysin toimivan hermosolun orgaanista bioelektroniikkaa käyttäen.

Kyseinen keinotekoinen neuroni ei sisällä "eläviä" osia, mutta pystyy jäljittelemään ihmisen hermosolujen toimintaa ja kommunikoimaan samalla tavalla kuin meidän omat neuronit tekevät.

Hermojärjestelmän neuronit ovat toisistaan erillään ja ne kommunikoivat kemiallisien signaalien eli välittäjäaineiden avulla. Hermosolun sisällä kemialliset signaalit muunnetaan sähköiseksi aktiopotentiaaliksi, joka kulkee neuronin aksonia pitkin kunnes saavuttaa synapsin. Siinä sähköinen signaali muunnetaan kemialliseksi signaaliksi, joka välittyy edelleen seuraavaan hermosoluun.

Tähän mennessä ensisijainen tekniikka hermosolujen stimuloimiseksi ihmisen soluissa on perustunut sähköiseen stimulaation.

Uusi tekniikka tekee mahdolliseksi stimuloida neuroneita, jotka perustuvat erityisiin kemiallisiin signaaleihin, joita vastaanotetaan kehon eri osista. Tulevaisuudessa tämä voi auttaa lääkäreitä ohittamaan vaurioituneita hermosoluja ja palauttamaan hermotoimintaa.

Ihmisaivoja simuloiden

Keväällä 2014 Stanfordin yliopiston bioinsinöörit esittelivät Neurogrid-piirilevyä, joka saattoi simuloida kertaluokkia suurempaa määrää neuroneja ja synapseja kuin muut aivoja jäljittelevät laitetekniikat vain kolmen watin käyttöteholla.

Energian käytön kannalta tietokoneen on vaikea voittaa aivoja. Jopa vaatimaton hiiren aivokuori toimii 9000 kertaa nopeammin kuin PC-tietokone, joka simuloi sen toimintoja. Simulointi vie peräti 40 000 kertaa enemmän energiaa kuin kyseinen aivokuori käyttää.

Neurogrid on noin 100 000 kertaa energiatehokkaampi kuin PC-tietokone, joka simuloi miljoonaa neuronia. Silti se on energiarohmu verrattuna ihmisen biologiseen CPU:hun.

"Ihmisen aivoissa 80 000 kertaa enemmän neuroneja kuin Neurogridissä mutta ne kuluttavat tehoa vain kolme kertaa Neurogridin verran."

Työllään tutkijat visioivat Neurocoren kaltaista sirupiiriä, joka voidaan istuttaa halvaantuneen henkilön aivoihin, tulkkaamaan aiottuja liikkeitä ja muuntamaan ne komennoiksi proteesiraajoille.

Keinotekoinen hermoverkko

Keinotekoinen hermoverkko (Artificial Neural Network, ANN) on tietojärjestelmä, joka perustuu biologisten aivojen periaatteiden jäljittelyyn. Niitä sovelletaan laajasti esimerkiksi hahmontunnistuksen, automaattisen säätötekniikan, signaalinkäsittelyn sekä päätöksenteon tukijärjestelmien ja tekoälyn parissa.

Zhejiang ja Hangzhou Dianzi yliopistojen tutkijat Kiinasta ovat kehittäneet Spiking Neural Networks (SNN) -perustaisen neuromorphisen rinnakkaisprosessorin.

Satunnaisesti piikittävä SNN-tietojärjestelmä on biologiaa realistisemmin jäljittelevä ANN, joka suorittaa tietojenkäsittelyä perustuen diskreettiaikaisiin pulssipiikkeihin. Biologisia aivoja paremmin matkivana se voi saavuttaa paremman suorituskyky-teho suhteen.

Koska laitteisto käyttää tietojenkäsittelyyn ja siirtoon pulssipiikkejä samalla tavalla kuin biologiset hermoverkot, se voi olla sopiva analysoimaan ja käsittelemään biologisia pulssimaisia hermosignaaleja sekä rakentaa aivojen ja tietokoneen välisiä rajapintajärjestelmiä.

Tietokone bakteereista

Luonnosta löytyy tiettyjä yleismaailmallisia malleja, jotka pitävät paikkansa, riippumatta niiden koosta, lajista tai ympäristöstä riippumatta. Esimerkkinä vaikkapa haarautuvat fraktaalit puun oksissa tai verisuonissa.

MIT:n ja Cambridgen yliopiston tutkijat ovat tunnistaneet yllättävän yhteisen mallin bakteerien ja elektronien kollektiiviselle liikkumiselle: Kun miljoonia bakteereita virtaa mikrofluidisen hilan läpi ne synkronoituvat ja uivat samanlaisin mallein kuin elektronit kiertävät atomien ytimien ympäri magneettisessa materiaalissa.

Malli juontuu yleisestä hilakentän teoriasta, jota tyypillisesti käytetään kuvaamaan elektronien kvanttikäyttäytymistä magneettisissa ja sähköisissä materiaaleissa.

Tutkijoiden mukaan biologisien ja lääketieteellisien sovelluksien ohella kyky hallita bakteerien virtausta ja "spiniä" voi joskus mahdollistaa "aktiivisia järjestelmiä, joilla on loogisia tiloja."

Sen myötä voisi kuvitella eläviä tietokoneita, joissa sähkövirtojen sijaan prosessia ajaisi elävän aineen todelliset muutokset eli jonkun aktiivisen aineen virtaus, liike tai kasvu, toteavat tutkijat tiedotteessaan.

"Tänään tämä voi tuntua futuristiselta, mutta kymmenen vuoden kuluttua, tutkimus kuten tämä voisi olla kulmakivi niin täysin uudenlaiselle ja yhteisöä muuttavan tutkimuksen kululle."

DNA-pohjainen sähkömekaaninen kytkin

Biologisista tietokoneista haaveilevat muutkin. Tutkijaryhmä Kalifornian, Davisin ja Washington yliopistoista ovat osoittaneet, että DNA:n konduktanssia voidaan moduloida hallitsemalla sen rakennetta, mikä avaa mahdollisuuden DNA:n tulevaa käyttöä sähkömekaanisena kytkimenä.

Vaikka DNA on yleisesti tunnettu sen biologinen roolista elämän molekyylinä, tutkijoiden mielestä työ osoittaa, että DNA pystyy toimimaan kuin sähkömekaaninen kytkin ja voisi johtaa uuteen tietotekniseen paradigmaan.

Kyseessä on kuitenkin vasta periaatteen esittely josta on vielä selvitettävä miten näitä sisällytettäisiin miljardeja samaan piiriin. Ja koska tässä tapauksessa DNA kaksoiskierteen rakennetta muutettiin sen ympäristöä muuttamalla, täytyisi löytää tapa korvata se mekaanisella tai sähköisellä signaalilla, joka paikallisesti ohjautuu yksittäiseen kytkimeen.

Monimutkaisia biologisia piirejä

Vuonna 2014 Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat loivat biologisia piirejä - järjestelmiä, aivan kuten elektroniset piirit, jotka voivat ottaa vastaan useita eri tuloja ja antaa suunnitellun lähdön.

Tätä ennen kehitettyjen biologisien piirien yksittäiset osiot toimivat niin kuin pitikin mutta laajemmiksi piirikokonaisuuksiksi yhdistettynä niiden annot menivät epämääräisemmiksi.

Kun elektronisissa piireissä johdotus varmistaa, että tieto virtaa aina tiettyä rataa, biologiset piirit koostuvat osista, jotka kaikki kelluvat monimutkaisessa nesteympäristössä solun sisällä.

MIT:n tutkijaryhmä keksi parantaa luotettavuutta rakenteella, joka toimii eräänlaisena puskurina signaalin ja annon välillä, ehkäisten signaalin heijastusvaikutuksia.

Synteettisille biologisille piireille on olemassa monia mahdollisia käyttötarkoituksia. Ne voivat esimerkki havaita markkereita, jotka osoittavat syöpäsolujen läsnäoloa ja sitten laukaista syöpäsoluja tuhoavan molekyylin.

Idea voisi johtaa myös synteettisiin biologisiin piireihin, jotka mittaavat jatkuvasti esimerkiksi diabeetikon veren glukoosipitoisuutta ja automaattisesti vapauttavat insuliinia kun sitä tarvitaan.

Langatonta tehosiirtoa ihmiskehon sisuksiin

Kun ihmiskehoon halutaan liittää yhä useampia laitteita, täytyy myös miettiä niiden enegiansyöttöä.

Stanfordin yliopistossa kehitetyllä langattomalla menetelmällä voi siirtää käyttötehoa esimerkiksi erittäin pienelle sydämentahdistimelle, hermostimulaattoreille tai muille laitteille, joita ei ole vielä kehitettykään

Tekniikka on sekoitus magneettikenttiä ja radioaaltoja (mid-field wireless transfer). Siinä hyödynnetään sitä, että aallot kulkevat eri tavalla, kun ne joutuvat kosketuksiin eri materiaalien kanssa, kuten ilma, vesi tai biologinen kudos.

Kokeissa turvanormien mukaisia milliwattien tehotasoja voitiin siirtää kehossa aina viiden sentin syvyyteen. Sähkömagneettinen kenttä fokusoituu mikroimplantin kokoiselle alueelle jonne tehoa saadaan 2000 mikrowatin verran.

Tekniikka on testattu sioilla ja kaniineilla ja nyt haetaan lupaa tehdä kokeita ihmisillä, joten tekniikan kaupallistuminen ottaa vielä aikaa.

Biologista energiaa mikropiirille

Columbia Engineering korkeakoulun tutkijat ovat puolestaan ensimmäisinä valjastaneet elävien järjestelmien molekyylikoneiston eli ATP:n antamaan tehoa integroidulle piirille.

ATP:llä (adenosiinitrifosfaatti) on tärkeä osa solujen energiataloudessa. Sitä käytetään elimistöissä energian siirtoon ja lyhytaikaiseen varastointiin.

Tutkijat saavuttivat energiankeruun integroimalla tavanomaisen CMOS-piirin ja ATP-toimiset ionipumput sisältävän keinotekoisen lipidikaksoiskerroskalvon. Temppu avaa tien luoda kokonaan uusia keinotekoisia järjestelmiä, jotka sisältävät sekä biologisia että kiinteäaineisia komponentteja.

CMOS-elektroniikka ei kykene toistamaan luonnollisten järjestelmien toimintoja, kuten maku- ja hajuaisteja tai käyttämään biokemiallisia energialähteitä.

Eloperäiset järjestelmät toteuttavat nämä toiminnot omanlaisensa elektroniikan avulla, perustuen lipidikalvoihin, ionikanaviin ja pumppuihin, jotka toimivat eräänlaisena "biologisena transistorina." Ne hyödyntävät varauksia ionien muodossa kantamaan energiaa ja informaatiota.

Elimistöön sulavia antureita

Uudenlaiset pienet ja ohuet elektroniset bioanturit voivat seurata painetta ja lämpötilaa kehon tai kallon sisällä ja sitten sulaa pois kun anturia ei enää tarvita.

Erityisesti tutkijat ovat suunnitelleet sitä käytettäväksi aivokirurgian alalla, jolloin vältetään ylimääräiset leikkaukset kallon sisäisten valvontalaitteiden poistamiseksi.

Uudet laitteet sisältävät liukenevaa piiteknologiaa. Anturit tuketuvat magnesiumkalvoihin perustuvaan MEMS-tekniikkaan ja erittäin ohuisiin lehtisiin nanohuokoista piitä, jotka ovat luonnostaan biohajoavia. Rakenteet on määritetty toimimaan normaalisti muutaman viikon ja sitten liukenevan harmittomasti pois kehon omiin nesteisiin.

Sydän sykkii mikrosirulla

Berkeley biotekniikan professori Kevin Healyn johtama tutkimustyö on tuottanut mikrosirulle sydämen lihassolujen sykkivän verkoston, joka mallintaa ihmisen sydämen kudosta.

Tällainen ja Seoulin yliopistossa kehitetty luuston kehittymistä matkiva organ-on-a-chip tekniikka ovat edistysaskeita kehittää tarkkoja ja nopeita testausmenetelmiä lääketoksisuudelle. Viime kädessä ne voisivat korvata koe-eläinten käytön seulottaessa lääkkeiden turvallisuutta ja tehokkuutta.

Sydämen lihassolun toimintaa sirulla seurattiin videokameran ja kuvankäsittelyn avulla. Samaten esimerkiksi erilaisten syövän esiintymisiin käytetään hyvin monenlaisia konenäkötekniikoita perinteisempien molekyylisten tutkimusmenetelmien lisäksi.