Fleksibelt, biologisk nedbrydeligt og trådløst magnetoelektrisk papir til enkel in situ personalisering af bioelektriske implantater

Et forskerhold, ledet i fællesskab af professorerne Jiyun Kim, Chaenyung Cha og Myoung Hoon Song fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved UNIST, har afsløret verdens første fleksible, bionedbrydelige bioelektroniske papir med homogent distribueret trådløs stimuleringsfunktionalitet til enkel personalisering af bioelektronisk implantater.

Disse innovative materialer er lavet af funktionelle materialer i nanoskala og kan derfor tilpasses yderligere ved hjælp af simple metoder, såsom rulning, skæring, indadfoldning og udadfoldning uden at miste funktionalitet.

Forskerholdet forventer, at disse resultater med hidtil uset designfleksibilitet kan lægge grundlaget for den billige, enkle og hurtige personalisering af midlertidige bioelektroniske implantater til minimalt invasive trådløse stimuleringsterapier.

Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

Implanterede elektriske stimuleringsanordninger er afgørende for at fremme neuronal aktivitet og vævsregenerering gennem elektrisk stimulering. Derfor er disse enheder afgørende til behandling af forskellige neurodegenerative sygdomme, såsom Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom.

De fleste af de avancerede bioelektroniske implantater kræver dog stiv og omfangsrig elektronik, der er mekanisk uforenelig med den sarte struktur af nerver og andet væv, hvilket gør det vanskeligt frit at skifte til forskellige størrelser og former i realtid.

Derudover kan behovet for ledningsforbindelser, batteriudskiftning og efterbehandlingsoperationer øge risikoen for infektion og gøre kliniske behandlinger komplekse.

I denne undersøgelse har forskerholdet med succes udviklet et fleksibelt, biomimetisk, letvægts og bionedbrydeligt bioelektronisk papir, der kan skæres og skræddersyes efter fabrikation og samtidig bibeholde funktionaliteter, hvilket muliggør enkel og hurtig produktion af bioelektroniske implantater i forskellige størrelser, former og mikroorganismer. - og makrostrukturer.

For det første syntetiserede de magnetoelektriske nanopartikler (MENs), der letter elektrisk stimulering som reaktion på et eksternt magnetfelt. De syntetiserede nanopartikler har form af en "Core@Shell"-struktur, der kobler en magnetostriktiv kerne, der transducerer magnetfelt til lokal belastning, og en piezoelektrisk skal, der transducerer belastning til elektrisk felt.

Ved at integrere MEN'er i elektrospundne bionedbrydelige nanofibre (NF'er) producerede holdet en papirlignende, biologisk nedbrydelig, porøs, trådløs elektrostimulator. In vitro-eksperimenter viste yderligere materialets evne til at give trådløs elektrostimulering og fremme neuronal aktivitet samtidigt.

"Det udviklede materiale tilbyder personlige behandlingsmuligheder, der er skræddersyet til individuelle behov og fysiske karakteristika, forenkler behandlingsprocesser, forbedrer fleksibilitet og alsidighed i elektrisk stimulationsbaserede kliniske applikationer," siger postdoktor og førsteforfatter Jun Kyu Choe.

Det fremstillede materiale er lige så fleksibelt og let som papir. Det kan fastgøres tæt langs komplekse overflader, som den buede overflade af menneskelige hjernemodeller. Især kan den også skæres i vilkårlige former og skalaer, mens den bevarer sin funktion.

Derudover viste den enestående fleksibilitet nok til at fremstille en cylindrisk nervekanal til at regenerere nerver med en demonstreret bøjningsradius på 400 µm.

Ifølge forskerholdet, "Dette arbejde præsenterer en lovende strategi for udviklingen af ​​fleksible og bionedbrydelige trådløse bioelektroniske implantater, der ganske enkelt kan tilpasses til forskellige kliniske og fysiske omstændigheder.

"Kombinationen af ​​magnetoelektriske og bionedbrydelige fibrøse materialer i nanoskala giver fordele i forhold til traditionelle trådløse elektroniske enheder på systemniveau, der er afhængige af kompliceret samling af omfangsrige komponenter, som ikke kan redesignes efter fremstillingen."

Professor Kim udtalte:"Det bioelektroniske papir kan i princippet ganske enkelt tilpasses til organskalaer på adskillige ti centimeter eller miniaturiseres til submikrometerskalaer til minimalt invasive operationer, da magnetoelektriciteten eller mikrostrukturen ikke afhænger af dens skala." /P>

"Samlet set kunne vores bioelektroniske papir med let og bred anvendelighed åbne op for en ny ordning mod minimalt invasive og bionedbrydelige trådløse bioelektroniske implantater."

Flere oplysninger: Jun Kyu Choe et al., fleksibelt, biologisk nedbrydeligt og trådløst magnetoelektrisk papir til enkel in situ personalisering af bioelektriske implantater, avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202311154

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Ulsan National Institute of Science and Technology