Ingenieurs ontwikkelen elektrisch geleidende hydrogel voor biomedische toepassingen

Synthetische hydrogels zijn veelbelovend voor weefselherstel, medicijnafgifte, medische implantaten en vele andere toepassingen. Hydrogels gefunctionaliseerd met elektrisch geleidende componenten kunnen worden gebruikt in bio-elektronische apparaten voor cardiale of neurale interfaces, voor toepassingen zoals neurale prothesen, cardiale patches en elektronische huid.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Lizhi Xu van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Hong Kong (HKU) heeft onlangs een nieuw type elektrisch geleidende hydrogel ontwikkeld met een uitstekende mechanische sterkte en produceerbaarheid, waardoor kansen ontstaan ​​voor de engineering van verschillende bio-elektronische apparaten.

De innovatie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie in een artikel met de titel “Hybride assemblage van polymeer nanovezelnetwerk voor robuuste en elektronisch geleidende hydrogels.”

Synthetische hydrogels zijn waterrijke polymere materialen die lijken op biologische zachte weefsels. Ze zijn zacht, poreus en biocompatibel, waardoor een fysieke interface mogelijk is tussen natuurlijke biologische weefsels en geavanceerde biomedische hulpmiddelen. Met name elektrisch geleidende hydrogels hebben brede onderzoeksaandacht getrokken, omdat ze kunnen worden gebruikt in bio-elektronische apparaten voor cardiale of neurale interfaces.

“Bestaande hydrogels zijn mechanisch zwak en moeilijk te vervaardigen, wat hun praktische bruikbaarheid beperkt. We gebruikten een unieke scaffold op microschaal voor de synthese van geleidende hydrogels. De architectuur van de composieten zorgde voor een combinatie van eigenschappen die niet toegankelijk waren voor andere hydrogels, wat cruciaal is voor realistische toepassingen in bio-elektronische apparaten,” zei Dr. Xu.

Voor de nieuwe hydrogels die zijn ontwikkeld door het team van Dr. Xu, werd een 3D-nanovezelnetwerk gebruikt als sjabloon om de assemblage van geleidende polymeren (zoals polypyrrool) te begeleiden. De hoge connectiviteit van de nanovezels zorgde voor zowel structurele robuustheid als een effectief pad voor elektronengeleiding.

“Voor potentiële biomedische toepassingen moet het apparaat bestand zijn tegen herhaalde mechanische belasting die gepaard gaat met lichaamsbeweging. In dit opzicht zou mechanische robuustheid van de materialen erg belangrijk zijn”, legt Dr. Xu uit.

Het resulterende materiaal dat door het team is ontwikkeld, bevat 80% water in gewicht, terwijl het tegelijkertijd een hoge elektrische geleidbaarheid van ~ 80 S/cm en een mechanische sterkte van ~ 9,4 MPa vertoont.

“Deze geleidende hydrogels zijn gemakkelijk te fabriceren. Men kan ze modelleren in arrays van elektroden, onderlinge verbindingen en biosensoren, waardoor functionele systemen mogelijk worden, zoals draagbare gezondheidsmonitors of platforms voor cardiale tissue engineering”, zei Dr. Xu.

“Het opent mogelijkheden voor veel geavanceerde medische hulpmiddelen op de weg, zoals neurale protheses, hartpleisters, elektronische huid, enzovoort,” voegde hij eraan toe.

Dr. Xu en zijn onderzoeksteam creëerden eerder een ander nieuw type hydrogel dat pezen nabootst en opmerkelijke mechanische eigenschappen vertoont die sterk lijken op die van natuurlijke pezen, samen met meerdere functionaliteiten die zeer geschikt zijn voor biomedische toepassingen.