Микроэлектронные технологии – ключевой драйвер инноваций в биомедицине

Интервью заместителя директора по научной работе Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Александра Герасименко для спецвыпуска журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ»

Институт биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» проводит исследования по широкому спектру направлений, включая биомедицинские нанотехнологии, биосовместимые наноматериалы и имплантаты, системы вспомогательного кровообращения, гемодиализные системы, биомедицинскую оптику, биомедицинские компьютерные технологии и др. Эти междисциплинарные исследования находятся на стыке наук о материалах, химии, физики и предполагают использование современных достижений в области электроники для создания новых и развития существующих образцов медицинской техники. О важнейших технологиях микроэлектроники, востребованных сегодня для развития биомедицины, и перспективных проектах в области имплантируемых биомедицинских систем, которые реализует НИУ МИЭТ, нам рассказал заместитель директора по научной работе Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Александр Герасименко.

— Александр Юрьевич, вы недавно вошли в Межведомственный научный совет по нейронаукам при Президиуме РАН. Каковы задачи этого совета? Какие направления исследований входят в сферу его компетенций?

— Ключевой задачей совета является объединение усилий ведущих ученых и экспертов из инженерных, медицинских и гуманитарных наук. Междисциплинарная интеграция необходима для обеспечения технологического развития и внедрения уникальных разработок в клиническую практику. Я вошел в состав рабочей группы, основной задачей которой является решение ключевых вопросов, связанных с развитием исследований и разработок в области медицинской и физико-технической нейробиологии, включая экспертизу текущего состояния, подготовку предложений по поддержке и координации междисциплинарных проектов. В настоящий момент биомедицинские направления, в том числе нейронауки, невозможны без микроэлектронных технологий, нанотехнологий, аддитивных технологий, поскольку такие технологии позволяют обеспечивать быстрое прототипирование моделей in vitro, in vivo, in silico (в пробирке с клетками, в живом организме, при компьютерном моделировании) для тестирования и доставки лекарств, разработки микрофизиологических систем на основе нервных клеток и новых материалов для нейробиоинженерных конструкций, создания приборов и технологий для контролируемого нейрогенеза и ангиогенеза, осуществления диагностики и лечения заболеваний нервной системы, оценки мозговой активности и коррекции старения мозга. Такие технологические подходы позволяют изучать поведение клеток и тканей нервной системы для создания их цифровых двойников, а также модулей головного мозга и нервной системы в целом с помощью алгоритмов машинного обучения. Одним из важных направлений работы совета является курирование междисциплинарной подготовки кадров для разработки и внедрения инновационных технологий, материалов и приборов в нейронауках. Электронные системы в таком междисциплинарном подходе играют ключевую роль.

— То, что биомедицина и микроэлектроника в ряде областей находят точки соприкосновения, видно в том числе по докладам, представляемым в последние годы на форуме «Микроэлектроника». В частности, такими областями являются имплантируемые системы и биоэлектронные интерфейсы. С вашей точки зрения, как сотрудника ведущей российской научно-образовательной организации в сфере микроэлектроники, какие микроэлектронные технологии, подходы, решения сейчас наиболее востребованы для развития биомедицины? Как бы вы оценили возможности отечественной микроэлектронной отрасли в этом вопросе?

— Нужно учитывать, что имплантируемые микроэлектронные устройства представляют собой сложные системы, которые необходимо рассматривать по составляющим их частям и компонентам с целью достижения понимания физического смысла, фундаментальных закономерностей их взаимодействия между собой и всей системы с организмом. Такие устройства содержат блок с интегральными схемами, которые позволяют регистрировать биологические сигналы, например, биопотенциалы или позволяют формировать стимулирующие импульсы с заданными параметрами. Для разработки этих интегральных схем используются классические микроэлектронные технологии, связанные с литографией, изготовлением фотошаблонов и другими технологическими процессами. Но взаимодействие имплантируемого устройства с биологической тканью происходит через электродный интерфейс. Поэтому интерфейс должен обладать, помимо необходимых электрофизических свойств, еще и определенными механическими и биологическими свойствами, приближенными к свойствам самой биоткани. Для создания биоэлектронных интерфейсов крайне важны новые проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также методы формирования из них заданных топологий. Такие методы могут реализовываться с помощью классических технологий масочной литографии, а могут использоваться и наиболее современные методы безмасочной литографии, мягкой литографии, методы, связанные со спрей-осаждением жидких сред с наноматериалами с последующим воздействием концентрированными потоками энергии, например, лазерным излучением. Таким образом, конвергенция новых композиционных материалов с методами формирования из них заданных топологий на макро-, микро- и наноуровнях позволяет создавать наиболее совместимые электродные интерфейсы с биотканью, в которую они имплантированы. Что касается отечественной отрасли, то здесь есть серьезные вызовы, но и значительные успехи. Медицинские организации столкнулись с большой проблемой, связанной с невозможностью импортировать имплантируемые устройства, необходимые для жизни многих людей. Поэтому мы в МИЭТ проводим работы по разработке и применению существующих микроэлектронных технологий для создания интегральных схем и электродных интерфейсов в системах электрической стимуляции. Наш крупный научный проект Минобрнауки России по получению фундаментальных научных результатов для создания первого отечественного имплантируемого нейростимулятора с биологической обратной связью как раз нацелен на преодоление этих вызовов и создание конкурентоспособных решений на собственной элементной базе и биосовместимых материалах. Мы движемся к созданию полного цикла разработки таких устройств в стране. Очень важно, что в МИЭТ появился стратегический технологический проект «Имплантируемая медицинская микроэлектроника» в рамках программы Приоритет-2030, направленный на ускорение перехода результатов исследований в области создания имплантируемых медицинских микроэлектронных технологий в технологические инновации с высоким коммерческим потенциалом и значительным влиянием на общество.

— Каков статус крупного научного проекта? Какие результаты ожидаются от его реализации и что они принесут для общества?

— Крупный научный проект находится в активной фазе реализации. В ходе проекта мы создаем фундаментальные основы, но придерживаясь логики: от фундаментальных и поисковых исследований до внедрения их результатов – создания первого отечественного имплантируемого нейростимулятора с биологической обратной связью. Полученные результаты в крупном научном проекте определяют развитие гражданского сектора проектирования и производства имплантируемых интегральных схем биомедицинского назначения и, в целом, отечественной биомедицинской доверенной имплантируемой микроэлектроники. Это влияет на конкурентоспособность отечественных междисциплинарных микроэлектронных технологий по отношению к передовому мировому уровню разработок нейроинтерфейсов и станут одной из точек роста отечественной реабилитационной индустрии, обеспечивая технологический суверенитет России в области нейротехнологий.

Для общества это означает появление принципиально нового, высокотехнологичного метода лечения хронической боли, с которой невозможно справиться с помощью лекарств. Системы электрической нейростимуляции позволят блокировать боль и восстанавливать двигательные функции у пациентов, значительно повышая качество их жизни и снижая зависимость от обезболивающих препаратов.

— Какие еще исследования проводятся в Институте биомедицинских систем НИУ МИЭТ? Насколько в данных работах задействованы студенты вуза?

— Направления института связаны с исследованиями и разработкой стационарных, носимых на теле и имплантируемых биомедицинских систем диагностического и терапевтического характера. Многие научные результаты воплотились в изделия медицинского назначения, которые используются в клинике. К таким изделиям относятся аппарат вспомогательного кровообращения, автоматический дефибриллятор, стационарный гемодиализный аппарат. Важным направлением является полностью искусственная имплантируемая почка. Ведь пациенты с нарушенной работой почек привязаны к гемодиализным центрам и должны как минимум два раза в неделю осуществлять сеансы по 6–8 ч. По статистике 2025 года, таких пациентов, которым оказывается помощь, – около 60 тыс. в России. Таким образом, с помощью имеющихся компетенций и опыта в Институте биомедицинских систем МИЭТ, а также микроэлектронных технологий и новых материалов при определенном финансировании есть возможность создать полностью искусственную имплантируемую почку. В институте был разработан экспериментальный образец микроэлектронной системы, позволяющей неинвазивно определять уровень глюкозы в крови. Эта система включает носимый модуль на руке человека, алгоритмы определения уровня глюкозы и программное обеспечение, реализующее связывание носимого модуля со смартфоном. Одним из ключевых направлений является исследование и разработка систем беспроводного питания для носимых и имплантируемых медицинских приборов. Полученные фундаментальные результаты, связанные с переносом энергии через биоткани, позволяют создать энергоэффективные системы зарядки приборов, в том числе для имплантируемых нейростимуляторов. Во всех научных проектах активное участие принимают студенты и аспиранты, они являются неотъемлемой частью команды. Молодые коллеги регулярно становятся лауреатами конкурсных программ по получению стипендий Президента, Всероссийского инженерного конкурса, «У.М.Н.И.К.» и др. В рамках проектов защищается большое количество бакалаврских и магистерских дипломов, а также кандидатских и докторских диссертаций по специальностям от физико-математических до технических и медицинских наук. В целом, в наших исследованиях участвует более 50 студентов и аспирантов, которые получают уникальный опыт работы над задачами мирового уровня.

— Насколько можно судить по публикациям, ваши научные интересы во многом связаны с получением и исследованием свойств наноматериалов. Какие возможные области применения наноматериалов в микроэлектронике вы бы выделили как наиболее перспективные на текущий момент? В каких задачах в области микроэлектронных технологий они принесли практические результаты за последнее время, а в каких – результаты можно ожидать в скором будущем?

— В область моих научных интересов входит исследование физических воздействий на материалы, наноматериалы и биоматериалы с целью синтеза новых композиционных материалов с управляемыми структурными, электрофизическими, оптическими и механическими свойствами и создание устройств на их основе. Такие композиционные материалы эффективно применяются для создания нанопроводников в интегральных схемах, полевых катодов, биочипов, тензочувствительных датчиков, актуаторов, микроэлектромеханических систем, оптических переключателей, насыщающихся поглотителей в модуляторах добротности и ограничителях мощного лазерного излучения. Эти исследования находятся на стыке наук о материалах, химии, физики и инженерии, фундаментальные результаты которых имеют серьезную перспективу для трансформации в прорывные технологии для гражданской микроэлектроники и оптики, биомедицинских систем, которые значительно повышают качество жизни населения нашей страны. Особый интерес в этом отношении представляют наноматериалы, формируемые из систем углеродных наночастиц под воздействием лазерного излучения. Углеродные нанотрубки и графен с уникальным сочетанием физических свойств признаны одними из самых перспективных объектов нанотехнологий. Однако ключевой задачей на пути от изучения свойств к созданию реальных устройств из систем углеродных нанотрубок и графена является разработка методов управления ими и формирования из них двумерных и трехмерных каркасных архитектур. Именно такие архитектуры способны реализовать потенциал углеродных наноматериалов в полной мере, будь то создание проводящих межсоединений в интегральных схемах нового поколения, эффективных эмиссионных катодов или же биосовместимых матриц для гибких биоэлектронных компонентов и биоразлагаемых тканеинженерных конструкций для восстановления биологических тканей. Уже продемонстрирована эффективность разработанных наноматериалов в реальных биологических системах и создание на их основе конкретных медицинских материалов, изделий и технологий: начиная от интерфейсов для электростимуляции роста клеток, заканчивая имплантами для восстановления хрящей, связок суставов, сердца и технологией лазерной «сварки» рассеченных биотканей. Полученные уникальные результаты в области биомедицинских материалов и материалов для электроники позволили достичь прогресса в создании интерфейсов, стирающих границы между живыми и электронными системами. Благодаря разработанным в нашей лаборатории технологиям становится возможным создание биоэлектронных интерфейсов третьего поколения, которые должны не только обеспечивать непрерывное взаимодействие носимых и имплантируемых электронных приборов с организмом, но и иметь адгезию к влагонасыщенной поверхности, обеспечивать иммунную совместимость и обладать заданным сроком функционирования, после чего должны биоразлагаться. Кроме того, они могут быть сформированы по месту нахождения в организме с программируемой формой, пористостью, проницаемостью или вязкостью.

— Вы являетесь модератором Секции № 10 «Биомедицинская электроника» Школы молодых ученых Российского форума «Микроэлектроника». Что вы ожидаете от секции в этом году? В каких направлениях в рамках темы секции вы видите наибольшую активность ее участников?

— Поскольку подготовка к проведению форума «Микроэлектроника» осуществляется тщательным образом более чем за полгода, то я уже знаю наиболее популярные направленности тематик. В этом году, в том числе, были приглашены молодые ученые, представившие замечательные доклады на научно-технической конференции «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы 2025», председателем организационного комитета которой я являюсь. Поэтому, учитывая этот факт и мировые научные тренды, наибольшая активность наблюдается по нескольким направлениям. Первое – это электроника для взаимодействия с нервной системой и нейроморфные технологии. Второе – разработка новых биосовместимых материалов, без которых невозможен прогресс в области биоэлектроники, а также реабилитационная и диагностическая электроника, в том числе гибкая электроника, которая находится на теле пациента 24 ч 7 дней в неделю. Третье – применение методов искусственного интеллекта для обработки биомедицинских сигналов, что позволяет создавать более «умные» и адаптивные устройства в реальном времени. Как и в прошлом году, я ожидаю увидеть еще более высокий уровень междисциплинарных докладов. Я надеюсь, что участники представят доклады, демонстрирующие глубокое понимание электрофизических процессов, учитывающие биологические аспекты. Уверен, секция пройдет плодотворно для молодых ученых, что позволит им закрепиться в области биомедицинской электроники, испытывающей потребность в кадрах.

— В последнее время за рубежом появляются конференции на стыке биомедицины и электроники, чего стоит деятельность только Илона Маска. В чем уникальность конференции «Микроэлектронные имплантируемые нейроинтерфейсы», председателем оргкомитета которой вы являетесь?

— В России таких конференций не так много, а конференций, связанных с имплантируемой микроэлектроникой, нет, кроме нашей конференции. Основной целью этой уникальной конференции является поиск и развитие перспективных междисциплинарных научных направлений на стыке микроэлектроники, материаловедения и нейротехнологий для достижения технологического лидерства Российской Федерации в области медицинских изделий, включая биогибридные, бионические и нейротехнологии, определенные указом Президента России. В последнее время крайне важным является развитие гражданского сектора проектирования и производства отечественных микроэлектронных интегральных схем и, в целом, биомедицинской имплантируемой микроэлектроники. Конференция позволяет определить пути преодоления самых сложных вызовов, стоящих перед этой областью. Поскольку плодотворные дискуссии с яркими докладами и новыми идеями приближают нас к созданию технологий, способных кардинально улучшить качество жизни людей нашей страны. В 2026 году ключевыми трендами конференции будут являться долгосрочная устойчивость бионических нейроинтерфейсов за пределами лабораторных условий. Например, крайне важна параметрическая устойчивость, которая характеризует сохранение эксплуатационных параметров нейроинтерфейсов в процессе длительной работы. К таким параметрам относятся импеданс электродов, пороги стимуляции, чувствительность регистрации, уровень шумов, характеристики декодирования нейронной активности, параметры алгоритмов обработки сигналов и др. Даже при отсутствии механических повреждений нейроинтерфейсов постепенный дрейф эксплуатационных параметров может возникать вследствие реакции тканей на имплантат в длительном периоде времени. Для выполнения требований реальных условий организма необходимы надежные микроэлектронные технологии, материалы и методы испытаний, которые будут обсуждаться на МИН-2026.

Материал подготовлен В.Б.Ежовым