Forskerhold producerer ekstremt ledende hydrogel til medicinske anvendelser

På grund af deres vævslignende mekaniske egenskaber, hydrogeler bliver i stigende grad brugt til biomedicinske anvendelser; et velkendt eksempel er bløde kontaktlinser. Disse gel-lignende polymerer består af 90 procent vand, er elastiske og særligt biokompatible. Hydrogeler, der også er elektrisk ledende, tillader yderligere anvendelsesområder, for eksempel ved transmission af elektriske signaler i kroppen eller som sensorer. Et tværfagligt forskerhold fra Research Training Group (RTG) 2154 "Materials for Brain" ved Kiel University (CAU) har nu udviklet en metode til at producere hydrogeler med et fremragende niveau af elektrisk ledningsevne. Det, der gør denne metode speciel, er, at hydrogelernes mekaniske egenskaber stort set bibeholdes. På denne måde kunne de være særligt velegnede, for eksempel, som materiale til medicinske funktionelle implantater, som bruges til at behandle visse hjernesygdomme. Gruppens resultater blev offentliggjort den 16. marts, 2021 i det prestigefyldte tidsskrift Nano bogstaver .

"Hydrogelernes elasticitet kan tilpasses forskellige typer væv i kroppen og endda til hjernevævets konsistens. Det er derfor, vi er særligt interesserede i disse hydrogeler som implantatmaterialer, " forklarer materialeforsker Margarethe Hauck, en doktorgradsforsker i RTG 2154 og en af ​​studiets hovedforfattere. Som sådan, det tværfaglige samarbejde mellem materialer og medicinske forskere fokuserer på udvikling af nye materialer til implantater, for eksempel til frigivelse af aktive stoffer til behandling af hjernesygdomme såsom epilepsi, tumorer eller aneurismer. Ledende hydrogeler kunne bruges til at kontrollere frigivelsen af ​​aktive stoffer med henblik på at behandle visse sygdomme lokalt på en mere målrettet måde.

For at producere elektrisk ledende hydrogeler, konventionelle hydrogeler blandes normalt med strømledende nanomaterialer, der er lavet af metaller eller kulstof, såsom guld nanotråde, grafen eller kulstof nanorør. For at opnå et godt niveau af ledningsevne, en høj koncentration af nanomaterialer er ofte påkrævet. Imidlertid, dette ændrer de oprindelige mekaniske egenskaber af hydrogelerne, såsom deres elasticitet, og dermed påvirker deres interaktion med de omgivende celler. "Celler er særligt følsomme over for naturen af ​​deres omgivelser. De føler sig bedst tilpas med materialer omkring dem, hvis egenskaber svarer så tæt som muligt til deres naturlige omgivelser i kroppen, " forklarer Christine Arndt, en doktorgradsforsker ved Institute for Materials Science ved Kiel University og også hovedforfatter af undersøgelsen.

Produktionsmetode kræver mindre grafen end tidligere tilgange

I tæt samarbejde med forskellige arbejdsgrupper, forskerholdet var nu i stand til at udvikle en hydrogel, der kan prale af en ideel kombination:den er ikke kun elektrisk ledende, men bevarer også sit oprindelige niveau af elasticitet. For ledningsevnen, forskerne brugte grafen, et materiale, der allerede er blevet brugt i andre produktionstilgange. "Graphene har fremragende elektriske og mekaniske egenskaber og er også meget let, " siger Dr. Fabian Schütt, junior gruppeleder i forskeruddannelsesgruppen, understreger således fordelene ved det ultratynde materiale, som kun består af et lag kulstofatomer. Det, der gør denne nye metode anderledes, er mængden af ​​anvendt grafen. "Vi bruger betydeligt mindre grafen end tidligere undersøgelser, og som et resultat, hydrogelens nøgleegenskaber bibeholdes, " siger Schütt om den aktuelle undersøgelse, som han tog initiativ til.

For at nå dette mål, forskerne har tyndt belagt en fin rammestruktur af keramiske mikropartikler med grafenflager. Derefter tilføjede de hydrogel polyacrylamid, som omsluttede rammestrukturen, som til sidst blev ætset væk. Den tynde grafenbelægning i hydrogelen forbliver upåvirket af denne proces. Hele hydrogelen er nu strøget med grafen-coatede mikrokanaler, ligner et kunstigt nervesystem.

Særlige 3D-billeder af Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) demonstrerer kanalsystemets højelektroniske ledningsevne:"På grund af en lang række forbindelser mellem de individuelle grafenrør, elektriske signaler finder altid vej gennem materialet og gør det ekstremt pålideligt, " siger Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Afdelingsleder for billeddannelse og datavidenskab ved HZG og associeret medlem i RTG. Ved hjælp af højintensive røntgenstråler tog matematikeren billederne i en kort tidsramme ved billedstrålen betjent af HZG ved lagerringen PETRA III ved Deutsche Elektronensynchrotron DESY. Og det tredimensionelle netværk har endnu en fordel:dets strækbarhed gør det muligt for det at tilpasse sig relativt fleksibelt til sit miljø.

Yderligere anvendelsesområder inden for biomedicin og blød robotteknologi

"Med samarbejdet mellem forskellige arbejdsgrupper, RTG tilbyder ideelle betingelser for biomedicinske forskningsspørgsmål, der kræver en tværfaglig tilgang, " siger Christine Selhuber-Unkel, første talsmand for RTG og nu professor i Molecular Systems Engineering ved Heidelberg Universitet. "Dette er et komplekst forskningsfelt, da det kombinerer både materialevidenskab og medicin og sandsynligvis vil udvikle sig enormt meget i løbet af de kommende år, mens den nationale og internationale efterspørgsel efter kvalificerede specialister vil stige – og det er det, vi ønsker at forberede vores ph.d.-forskere på bedst muligt, " tilføjer hendes efterfølger Rainer Adelung, Professor i funktionelle nanomaterialer ved Kiel Universitet og talsmand for RTG siden 2020.

I fremtiden, forskellige yderligere anvendelser af den nye ledende hydrogel er mulige:Margarethe Hauck planlægger at udvikle en hydrogel, der reagerer på små temperaturændringer og kan frigive aktive stoffer i hjernen på en kontrolleret måde. Christine Arndt arbejder på, hvordan elektrisk ledende hydrogeler kan bruges som biohybride robotter. Den kraft, som celler udøver på deres omgivelser, kunne her bruges til at drive miniaturiserede robotsystemer.