Onderzoeksteam produceert extreem geleidende hydrogel voor medische toepassingen

Vanwege hun weefselachtige mechanische eigenschappen worden hydrogels in toenemende mate gebruikt voor biomedische toepassingen; een bekend voorbeeld zijn zachte contactlenzen. Deze gelachtige polymeren bestaan ​​voor 90 procent uit water, zijn elastisch en bijzonder biocompatibel. Hydrogels die ook elektrisch geleidend zijn, maken extra toepassingsgebieden mogelijk, bijvoorbeeld bij de overdracht van elektrische signalen in het lichaam of als sensoren. Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Research Training Group (RTG) 2154 “Materials for Brain” aan de Kiel University (CAU) heeft nu een methode ontwikkeld om hydrogels te produceren met een uitstekende elektrische geleidbaarheid. Bijzonder aan deze methode is dat de mechanische eigenschappen van de hydrogels grotendeels behouden blijven. Op deze manier kunnen ze bijvoorbeeld bijzonder goed geschikt zijn als materiaal voor medische functionele implantaten, die worden gebruikt om bepaalde hersenziekten te behandelen. De bevindingen van de groep werden op 16 maart 2021 gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nano Letters​

“De elasticiteit van hydrogels kan worden aangepast aan verschillende soorten weefsel in het lichaam en zelfs aan de consistentie van hersenweefsel. Daarom zijn we bijzonder geïnteresseerd in deze hydrogels als implantaatmaterialen”, legt materiaalwetenschapper Margarethe Hauck uit, een doctoraal onderzoeker in RTG 2154 en een van de hoofdauteurs van het onderzoek. De interdisciplinaire samenwerking van materialen en medische wetenschappers richt zich dan ook op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor implantaten, bijvoorbeeld voor het vrijkomen van actieve stoffen voor de behandeling van hersenziekten zoals epilepsie, tumoren of aneurysma’s. Geleidende hydrogels zouden kunnen worden gebruikt om de afgifte van actieve stoffen te beheersen om bepaalde ziekten lokaal gerichter te behandelen.

Om elektrisch geleidende hydrogels te produceren, worden conventionele hydrogels meestal gemengd met stroomgeleidende nanomaterialen die zijn gemaakt van metalen of koolstof, zoals gouden nanodraden, grafeen of koolstofnanobuisjes. Om een ​​goede geleiding te bereiken is vaak een hoge concentratie nanomaterialen nodig. Dit verandert echter de oorspronkelijke mechanische eigenschappen van de hydrogels, zoals hun elasticiteit, en dus hun interactie met de omringende cellen. “Cellen zijn bijzonder gevoelig voor de aard van hun omgeving. Ze voelen zich het meest op hun gemak bij materialen om zich heen waarvan de eigenschappen zo dicht mogelijk overeenkomen met hun natuurlijke omgeving in het lichaam”, legt Christine Arndt uit, een doctoraal onderzoeker aan het Institute for Materials Science at Kiel University en tevens hoofdauteur van de studie.

Productiemethode vereist minder grafeen dan eerdere benaderingen

In nauwe samenwerking met verschillende werkgroepen kon het onderzoeksteam nu een hydrogel ontwikkelen die een ideale combinatie biedt: hij is niet alleen elektrisch geleidend, maar behoudt ook zijn oorspronkelijke elasticiteit. Voor de geleidbaarheid gebruikten de wetenschappers grafeen, een materiaal dat al in andere productiebenaderingen is gebruikt. “Grafeen heeft uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen en is ook erg licht”, zegt Dr. Fabian Schütt, junior groepsleider in de Research Training Group, en benadrukt daarmee de voordelen van het ultradunne materiaal, dat uit slechts één laag koolstofatomen bestaat. . Wat deze nieuwe methode anders maakt, is de hoeveelheid grafeen die wordt gebruikt. “We gebruiken aanzienlijk minder grafeen dan eerdere studies, en als gevolg daarvan blijven de belangrijkste eigenschappen van de hydrogel behouden”, zegt Schütt over de huidige studie, die hij initieerde.

Om dit doel te bereiken, hebben de wetenschappers een fijne raamwerkstructuur van keramische microdeeltjes dun bedekt met grafeenvlokken. Daarna voegden ze het hydrogelpolyacrylamide toe, dat de raamwerkstructuur omsloot, die uiteindelijk werd weggeëtst. De dunne grafeenlaag in de hydrogel blijft onaangetast door dit proces. De hele hydrogel is nu bezaaid met met grafeen gecoate microkanalen, vergelijkbaar met een kunstmatig zenuwstelsel.

Speciale 3D-beelden van het Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) demonstreren de zeer elektronische geleidbaarheid van het kanaalsysteem: “Door een veelvoud aan verbindingen tussen de afzonderlijke grafeenbuizen vinden elektrische signalen altijd hun weg door het materiaal en maken het uiterst betrouwbaar, “zegt Dr. Berit Zeller-Plumhoff, hoofd van de afdeling Imaging en Data Science bij HZG en een geassocieerd lid van de RTG. Met behulp van röntgenstralen met hoge intensiteit nam de wiskundige de beelden in een kort tijdsbestek op de beeldbundellijn van de HZG aan de opslagring PETRA III bij de Deutsche Elektronensynchrotron DESY. En het driedimensionale netwerk heeft nog een ander voordeel: door zijn rekbaarheid kan het zich relatief flexibel aanpassen aan zijn omgeving.

Verdere toepassingsgebieden in de biogeneeskunde en zachte robotica

“Met de samenwerkingen tussen verschillende werkgroepen biedt de RTG ideale omstandigheden voor biomedische onderzoeksvragen die een interdisciplinaire aanpak vereisen”, zegt Christine Selhuber-Unkel, eerste woordvoerder van de RTG en nu hoogleraar Molecular Systems Engineering aan de Universiteit van Heidelberg. “Dit is een complex onderzoeksgebied omdat het zowel materiaalkunde als geneeskunde combineert en zich de komende jaren waarschijnlijk enorm zal ontwikkelen, terwijl de nationale en internationale vraag naar gekwalificeerde specialisten zal toenemen – en dit is wat we willen voorbereiden op ons doctoraat. onderzoekers voor op de best mogelijke manier, ”voegt haar opvolger Rainer Adelung toe, hoogleraar functionele nanomaterialen aan de universiteit van Kiel en sinds 2020 woordvoerder van de RTG.

In de toekomst zijn verschillende aanvullende toepassingen van de nieuwe geleidende hydrogel mogelijk: Margarethe Hauck is van plan een hydrogel te ontwikkelen die reageert op kleine temperatuurveranderingen en op een gecontroleerde manier actieve stoffen in de hersenen kan afgeven. Christine Arndt werkt aan hoe elektrisch geleidende hydrogels kunnen worden gebruikt als biohybride robots. De kracht die cellen op hun omgeving uitoefenen, zou hier kunnen worden gebruikt om geminiaturiseerde robotsystemen aan te drijven.