Ingenieurs creëren bio-elektronische hydrogels om de activiteit in het lichaam te monitoren

Draagbare of implanteerbare apparaten om biologische activiteiten, zoals de hartslag, te monitoren, zijn nuttig, maar zijn doorgaans gemaakt van metalen, silicium, plastic en glas en moeten chirurgisch worden geïmplanteerd. Een onderzoeksteam aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis ontwikkelt bio-elektronische hydrogels die op een dag bestaande apparaten zouden kunnen vervangen en veel meer flexibiliteit zullen hebben.

Alexandra Rutz, assistent-professor biomedische technologie, en Anna Goestenkors, een vijfdejaars promovendus in het laboratorium van Rutz, creëerden nieuwe granulaire hydrogels. Ze zijn gemaakt van microdeeltjes die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd, over weefsels kunnen worden verspreid of kunnen worden gebruikt om cellen en weefsel in te kapselen en ook om de biologische activiteit te monitoren en te stimuleren. Resultaten van hun onderzoek waren gepubliceerd 8 oktober in het journaal Klein.

De microdeeltjes zijn bolvormige hydrogels gemaakt van het geleidende polymeer dat bekend staat als PEDOT:PSS. Als ze stevig zijn verpakt, lijken ze op nat zand of pasta: ze blijven als een vaste stof met microporiën, maar ze kunnen ook in 3D worden geprint of in verschillende vormen worden uitgespreid terwijl ze hun structuur behouden, of worden herverdeeld in individuele microdeeltjes wanneer ze in vloeistof worden geplaatst.

“Korrelvormige hydrogels zijn niet uitgebreid onderzocht voor deze toepassingen, maar we hebben ontdekt dat dit materiaal het potentieel heeft om ter plaatse met een naald te worden geïnjecteerd”, zei Rutz. “We proberen technieken uit de weefseltechnologie te lenen om te proberen deze elektronisch geleidende materialen de eigenschappen van het lichaam te laten nabootsen, terwijl we de functie van deze materialen kunnen benutten om meer geavanceerde manieren te hebben om dit te doen.”

Wanneer de deeltjes dicht bij elkaar zijn gepakt, zijn er lege ruimtes ertussen die porositeit creëren op micronschaal of op celschaal, zei Goestenkors.

“Omdat de verbindingen van de deeltjes niet permanent zijn, kunnen ze ten opzichte van elkaar bewegen en zal het materiaal als een vloeistof stromen als je een bepaalde hoeveelheid kracht uitoefent waardoor ze kunnen worden geïnjecteerd of geëxtrudeerd”, zei ze. “Maar als je die kracht wegneemt, herstellen ze die verbindingen en worden ze weer meer een pasta-achtige vaste stof, dus het is een zeer aanpasbaar materiaal.”

De individuele deeltjes kunnen door een 3D-printmondstuk worden geduwd om strengen te vormen, zei Goestenkors. Ze creëerde ze door middel van een water-en-olie-emulsie, vergelijkbaar met het maken van een saladedressing met olie en azijn. Nadat ze de olie had verwarmd, voegde ze het polymeer toe. Bij roeren brak het polymeer in kleine druppeltjes in de olie, en de verhoogde temperatuur verknoopte het polymeer om stabiele hydrogels te creëren.

Als onderdeel van hun onderzoek voerden ze een experiment uit met sprinkhanen in het laboratorium van Barani Raman, de Dennis & Barbara Kessler Professor bij McKelvey Engineering en mededirecteur van WashU’s Center for Cyborg and BioRobotic Research. Goestenkors plaatste kleine klontjes van de deeltjes op de toppen van de sprinkhanenantennes, die reukreceptorneuronen hebben. Dankzij de deeltjes konden ze lokale veldpotentialen meten die overeenkomen met een geur die door de sprinkhaan wordt waargenomen.

“Met verdere ontwikkeling stellen we ons voor dat deze geleidende korrelige hydrogels kunnen worden gebruikt als 3D-geprinte, op maat gemaakte elektroden die zich kunnen aanpassen aan topografisch diverse oppervlakken of biologische componenten, weefselmanipulatiesteigers of injecteerbare therapieën volledig kunnen inkapselen, ” zei Rutz.

Rutz en Goestenkors hebben een Amerikaans patent aangevraagd dat betrekking heeft op de fabricage en toepassingen van geleidende polymeermicrodeeltjes en geleidende granulaire hydrogels. Ze werken samen met WashU’s Office of Technology Management, dat helpt bij het beschermen van het intellectuele eigendom en het bevorderen van commercialiseringsinspanningen.