Flexibele elektronische nanomembranen zijn veelbelovend voor revolutionaire organ-on-chip-technologieën, waardoor mogelijk de behoefte aan dierproeven in medisch onderzoek wordt verminderd.
Ingenieurs van UNSW Sydney hebben een manier ontdekt om flexibele elektronische systemen te creëren op ultradunne huidachtige materialen.
De ontwikkeling maakt het mogelijk om hele rekbare 3D-structuren te laten werken als een halfgeleider en zou de behoefte aan dierproeven aanzienlijk kunnen verminderen door de zogenaamde organ-on-chip-technologie effectiever te maken.
Later zou de technologie ook kunnen worden gebruikt in draagbare gezondheidsmonitoringsystemen of implanteerbare biomedische toepassingen, zoals een systeem om mensen met epilepsie te waarschuwen voor een dreigende aanval.
Het onderzoeksteam, geleid door Dr. Hoang-Phuong Phan van UNSW’s School of Mechanical and Manufacturing Engineering, heeft hun bevindingen gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.
Hun nieuwe proces omvat het gebruik van lithografie – een techniek die licht gebruikt om kleine patronen af te drukken – om halfgeleiders met een brede bandgap, zoals siliciumcarbide en galliumnitride, te fabriceren op zeer dunne en flexibele nanomembranen op een polymeersubstraat.
Organ-on-chip-technologie
Die halfgeleidermembranen bieden detectie-, opname- en stimulatiefunctionaliteiten, zelfs als ze worden uitgerekt en gedraaid in elke denkbare 3D-vorm.
Ze zouden een belangrijk onderdeel kunnen worden van organ-on-chip-technologie, een geavanceerde benadering waarbij miniatuurversies van menselijke organen op kleine chips worden gemaakt.
Deze chips bootsen de functies en structuren van organen na, waardoor wetenschappers hun gedrag nauwkeuriger en efficiënter kunnen bestuderen en de effecten van medicijnen of ziekten kunnen testen.
En omdat organ-on-chip-technologie onderzoekers in staat stelt om de complexiteit van menselijke organen in laboratoriumomstandigheden na te bootsen, kan het de noodzaak wegnemen om dieren te gebruiken voor een breed scala aan tests en experimenten.
“Veel mensen willen om juridische, ethische en morele redenen graag overgaan op medische tests op gerepliceerde versies van menselijke cellen in plaats van op levende dieren”, zegt Dr. Phan.
“Je kunt 3D-celorganen laten groeien die de organen in een echt lichaam nabootsen, maar we moeten ook 3D-elektroden ontwikkelen om dat orgaan-op-chip-proces te vergemakkelijken.”
“Ons proces maakt het mogelijk om een elektronisch systeem te creëren op een membraan dat kan worden uitgerekt tot elke 3D-vorm rond het orgaan-op-chip.”
Het werk is het hoogtepunt van interdisciplinaire, interinstitutionele samenwerking tussen UNSW, Griffith University, UQ, QUT en hun internationale partners zoals Kyung Hee University, University of Southern California en Northwestern University.
Materiaal met brede bandgap voor eenvoudigere observatie
UNSW Scientia-docent Dr. Thanh Nho Do, een hoofdonderzoeker van het project, voegde toe: “We gebruiken materiaal met brede bandgap, dat in tegenstelling tot traditionele halfgeleidermaterialen geen zichtbaar licht absorbeert. Dat betekent dat wanneer wetenschappers het orgaan-op-chip willen observeren door een microscoop kunnen ze dat doen, wat anders niet mogelijk zou zijn.”
“Het elektronische systeem op het membraan maakt het ook mogelijk om veel gegevens te verzamelen terwijl wordt gecontroleerd hoe het kunstmatige orgaan tijdens het testen op verschillende dingen reageert.”
Voor deze toepassing denken de onderzoekers dat het binnen drie tot vijf jaar een commercieel product kan zijn, hoewel ze ernaar streven om verder te werken om het apparaat nog verder te verbeteren en aanvullende componenten zoals draadloze communicatie te integreren.
Wat betreft het gebruik van de technologie in draagbare systemen voor gezondheidsmonitoring, zegt Dr. Phan dat er een interessant potentieel is voor het nieuwe proces om de kwaliteit van monitoring, diagnose en therapie aanzienlijk te verbeteren.
Een dergelijke functie zou een draagbare hoes kunnen zijn om waarschuwingen te detecteren en te signaleren met betrekking tot de niveaus van UV-straling waaraan een persoon gedurende de dag werd blootgesteld, wat uiteindelijk zou kunnen helpen het aantal gevallen van huidkanker te verminderen.
“Het brede bandgap-materiaal is belangrijk in die toepassing omdat traditionele siliciumhalfgeleiders een smalle bandgap hebben en geen UV-licht absorberen”, zegt Dr. Phan.
Neuron signalen
Het UNSW-team stelt ook voor dat hun nieuwe materiaal verder kan worden ontwikkeld om implanteerbare biomedische apparaten te creëren waar het elektrische systeem neuronsignalen in realtime kan bewaken en beïnvloeden.
Hoewel zo’n apparaat waarschijnlijk pas over 10 jaar beschikbaar zal zijn, plannen de onderzoekers al verdere tests met als doel mensen met epilepsie te helpen – een neurologische aandoening waarbij plotselinge en ongecontroleerde uitbarstingen van elektrische activiteit in de hersenen epileptische aanvallen kunnen veroorzaken. .
“Voor mensen met epilepsie, wanneer een aanval op het punt staat te gebeuren, zullen de hersenen ongebruikelijke signalen uitzenden die de trigger zijn”, zegt Dr. Phan.
“Als we een implanteerbaar elektronisch apparaat kunnen maken dat die abnormale patronen kan detecteren, kan het mogelijk ook worden gebruikt om elektrische stimulatie toe te passen om de aanval te omzeilen.”
Een van de belangrijkste uitdagingen die moeten worden overwonnen met betrekking tot implanteerbare apparaten, is hoe een dergelijk elektronisch systeem van stroom moet worden voorzien.
Onderzoekers van UNSW proberen daarom ook een magnetisch resonantiekoppelingssysteem te ontwikkelen dat kan worden geïntegreerd met de 3D-elektronische membranen met brede bandgap om draadloos stroom door het lichaam te transporteren via een externe antenne.
Meer informatie:
Thanh-An Truong et al, Engineering Route for Stretchable, 3D Microarchitectures of Wide Bandgap Semiconductors for Biomedical Applications, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI: 10.1002/adfm.202211781
Tijdschrift informatie:
Geavanceerde functionele materialen
Aangeboden door de Universiteit van New South Wales