Nieuwe zelfassemblagemethode creëert bio-elektronica uit microscopisch kleine structuren

Het samenbrengen van zachte, kneedbare levende cellen met harde, onbuigzame elektronica kan een moeilijke taak zijn. Onderzoekers van UChicago hebben een nieuwe methode ontwikkeld om deze uitdaging het hoofd te bieden door microscopisch kleine structuren te gebruiken om bio-elektronica op te bouwen in plaats van ze van boven naar beneden te creëren – waardoor een zeer aanpasbaar product ontstaat.

Onderzoekers zijn erg geïnteresseerd in het maken van elektronica die naadloos kan communiceren met biologische weefsels; deze zouden kunnen worden gebruikt als instrumenten om te onderzoeken hoe cellen en weefsels werken of als medische hulpmiddelen – zoals weefselstimulaties om de ziekte van Parkinson of hartproblemen te behandelen.

Dergelijke bio-elektronica wordt typisch gecreëerd via een “top-down” -benadering, waarbij de elektronica al is samengesteld en kleiner is gemaakt om in het biologische systeem te passen. Maar in een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, Assoc. Prof. Bozhi Tian en zijn team gebruiken een andere methode. De onderzoekers kozen voor een “bottom-up” -benadering, waarbij kleine bouwstenen, micellen genaamd, samenkomen om op koolstof gebaseerde bio-elektronica te vormen.

Micellen zijn een verzameling moleculen die door interacties met water een bolvormige structuur kunnen vormen. Deze unieke structuren spelen een integrale rol in veel belangrijke biologische en chemische processen, zoals hoe wasmiddelen oliën verwijderen of hoe het lichaam bepaalde vetten verwerkt.

De kleine micellen komen samen om zeer dunne vellen te vormen die nanoporeus zijn – bedekt met extreem kleine gaatjes – die veel meer flexibiliteit mogelijk maken. Deze poriën vergroten het oppervlak, waardoor meer contact en een betere interface mogelijk is. De poriën verbeteren ook de flexibiliteit van het bio-elektronische apparaat, wat belangrijk is omdat het bio-elektronische apparaat goed moet kunnen passen bij het zachte biologische membraan. Om dit te begrijpen, stel je de kneedbaarheid van een plak cake met zijn vele luchtzakken voor, versus een dichte brownie.

“Dit is het allereerste onderzoekspaper dat micel-aangedreven microscopische zelfassemblage voor bio-elektronica gebruikt”, zegt Aleksander Prominski, een afgestudeerde scheikundestudent en co-eerste auteur van het artikel. “Het suggereert ook dat we moeten zoeken naar meer principes uit andere velden, zoals energieopslag, om bio-interfaces te bouwen.”

Een ander positief punt van deze benadering is de veelzijdigheid bij het bouwen van het apparaat. Het maken van de bio-elektronica is net zo eenvoudig als het verwisselen van de bouwstenen.

“Onze poreuze koolstofmembranen zijn in staat tot biofysische detectie en stimulatie”, zegt Lingyuan Meng, een afgestudeerde student van de Pritzker School of Molecular Engineering en co-eerste auteur van de paper. “Deze technologie zou ook klinische toepassingen kunnen vinden om aandoeningen zoals epilepsie of Parkinson aan te pakken.”