Sådan får du ledende geler til at klæbe, når de er våde

Polymerer, der er gode ledere af elektricitet, kan være nyttige i biomedicinske apparater, for at hjælpe med sansning eller elektrostimulering, for eksempel. Men der har været et problem, der forhindrer deres udbredte brug:deres manglende evne til at klæbe til en overflade såsom en sensor eller mikrochip, og blive siddende på trods af fugt fra kroppen.

Nu, forskere ved MIT har fundet på en måde at få ledende polymergeler til at klæbe til våde overflader.

Den nye klæbemetode er beskrevet i journalen Videnskabens fremskridt i et papir af MIT ph.d.-studerende Hyunwoo Yuk, tidligere gæsteforsker Akihisa Inoue, postdoc Baoyang Lu, og professor i maskinteknik Xuanhe Zhao.

De fleste elektroder, der bruges til biomedicinsk udstyr, er lavet af platin eller platin-iridium legeringer, Zhao forklarer. Disse er meget gode elektriske ledere, der er holdbare inde i det fugtige miljø i kroppen, og kemisk stabile, så de ikke interagerer med det omgivende væv. Men deres stivhed er en stor ulempe. Fordi de ikke kan bøje og strække sig, når kroppen bevæger sig, de kan beskadige sarte væv.

Ledende polymerer såsom PEDOT:PSS, derimod, kan meget nøje matche blødheden og fleksibiliteten af ​​det sårbare væv i kroppen. Den vanskelige del har været at få dem til at forblive knyttet til de biomedicinske enheder, de er forbundet til. Forskere har i årevis kæmpet for at gøre disse polymerer holdbare i kroppens fugtige og altid bevægelige miljøer.

"Der har været tusindvis af aviser, der har talt om fordelene ved disse materialer, "Yuk siger, men de virksomheder, der laver biomedicinsk udstyr, "bruger dem bare ikke, " fordi de har brug for materialer, der er yderst pålidelige og stabile. En fejl i materialet kan kræve en invasiv kirurgisk procedure for at erstatte det, hvilket indebærer yderligere risiko for patienten.

Stive metalelektroder "skader nogle gange vævene, men de fungerer godt med hensyn til pålidelighed og stabilitet over en årrække, "hvilket ikke har været tilfældet med polymersubstitutter indtil nu, han siger.

De fleste bestræbelser på at løse dette problem har involveret at foretage væsentlige modifikationer af polymermaterialerne for at forbedre deres holdbarhed og deres evne til at klæbe, men Yuk siger, at det skaber sine egne problemer:Virksomheder har allerede investeret stort i udstyr til fremstilling af disse polymerer, og større ændringer af formuleringen vil kræve betydelige investeringer i nyt produktionsudstyr. Disse ændringer ville være for et marked, der er relativt lille i økonomisk henseende, selvom det har stor potentiel effekt. Andre metoder, der er blevet prøvet, er begrænset til specifikke materialer. I stedet, MIT-teamet fokuserede på at lave færrest mulige ændringer, at sikre kompatibilitet med eksisterende produktionsmetoder, og gøre metoden anvendelig til en lang række materialer.

Deres metode involverer et ekstremt tyndt klæbelag mellem den ledende polymerhydrogel og substratmaterialet. Selvom det kun er nogle få nanometer tykt (milliarddele af en meter), dette lag viser sig at være effektivt til at få gelerne til at klæbe til en lang række almindeligt anvendte substratmaterialer, herunder glas, polyimid, indium tinoxid, og guld. Det klæbende lag trænger ind i selve polymeren, producerer en hård, holdbar beskyttelsesstruktur, der holder materialet på plads, selv når det i længere perioder udsættes for et vådt miljø.

Det klæbende lag kan påføres enhederne ved en række forskellige standardfremstillingsprocesser, herunder centrifugering, sprøjtebelægning, og dyppebelægning, gør det nemt at integrere med eksisterende fremstillingsplatforme. Belægningen forskerne brugte i deres test er lavet af polyurethan, et hydrofilt (vandtiltrækkende) materiale, der er let tilgængeligt og billigt, skønt andre lignende polymerer også kunne anvendes. Sådanne materialer "bliver meget stærke, når de danner indbyrdes gennemtrængende netværk, "som de gør, når de er belagt på den ledende polymer, Yuk forklarer. Denne forbedrede styrke bør løse holdbarhedsproblemerne forbundet med den ubelagte polymer, han siger.

Resultatet er en mekanisk stærk og ledende gel, der binder tæt til overfladen, den er fastgjort til. "Det er en meget enkel proces, " siger Yuk.

Bindingen viser sig at være meget modstandsdygtig over for bøjning, vridning, og jævn foldning af substratmaterialet. Den klæbende polymer er blevet testet i laboratoriet under accelererede ældningsforhold ved hjælp af ultralyd, men Yuk siger, at det vil kræve længere tid for den biomedicinske enhedsindustri at acceptere et sådant nyt materiale, mere streng test for at bekræfte stabiliteten af ​​disse coatede fibre under realistiske forhold over lange perioder.

"Vi ville meget gerne licensere og sætte denne teknologi derude for at teste den yderligere i realistiske situationer, " siger han. Holdet er begyndt at tale med producenterne for at se, "hvordan vi bedst kan hjælpe dem med at teste denne viden, " han siger.

"Jeg synes, det er et fantastisk stykke arbejde, " siger Zhenan Bao, professor i kemiteknik ved Stanford University, som ikke var tilknyttet denne forskning. "Våde klæbemidler er allerede en stor udfordring. Ledende klæbemidler, der fungerer godt under våde forhold, er endnu mere sjældne. De er meget nødvendige til nervegrænseflader og optagelse af elektriske signaler fra hjertet eller hjernen."

Bao siger, at dette arbejde "er et stort fremskridt inden for bioelektronikområdet."