Onderzoekers ontwikkelen injecteerbare bio-elektroden met instelbare levensduur

Implanteerbare bio-elektroden zijn elektronische apparaten die biologische activiteit kunnen bewaken of stimuleren door signalen van en naar levende biologische systemen te verzenden. Dergelijke apparaten kunnen worden vervaardigd met behulp van verschillende materialen en technieken. Maar vanwege hun intieme contact en interacties met levende weefsels is de selectie van het juiste materiaal voor prestaties en biocompatibiliteit cruciaal. In de afgelopen tijd hebben geleidbare hydrogels veel aandacht getrokken als bio-elektrodematerialen vanwege hun flexibiliteit, compatibiliteit en uitstekende interactievermogen.

De afwezigheid van injecteerbaarheid en afbreekbaarheid in conventionele geleidende hydrogels beperkt echter hun gebruiksgemak en prestaties in biologische systemen.

Tegen deze achtergrond hebben onderzoekers uit Korea nu op grafeen gebaseerde geleidende hydrogels ontwikkeld met injecteerbaarheid en afstembare afbreekbaarheid, wat het ontwerp en de ontwikkeling van geavanceerde bio-elektroden bevordert. De studie werd geleid door professor Jae Young Lee van het Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) en werd gepubliceerd in Klein.

Prof. Lee legt de grondgedachte voor hun studie uit en zegt: “Traditionele implanteerbare elektroden veroorzaken vaak verschillende problemen, zoals een grote incisie voor implantatie en ongecontroleerde stabiliteit in het lichaam. Geleidende hydrogelmaterialen daarentegen zorgen voor minimaal invasieve afgifte en controle over de functionele werking van de bio-elektrode. in vivo levensduur en zijn dus zeer gewenst.”

Om de injecteerbare geleidende hydrogels (ICH’s) te synthetiseren, gebruikten de onderzoekers thiol-gefunctionaliseerd gereduceerd grafeenoxide (F-rGO) als geleidende component vanwege het grote oppervlak en de uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen.

Ze selecteerden dimaleïmide (PEG-2Mal)- en diacrylaat (PEG-2Ac)-gefunctionaliseerd polyethyleenglycol als prepolymeren om de ontwikkeling van ICH’s te vergemakkelijken die respectievelijk stabiel en hydrolyseerbaar zijn. Deze prepolymeren werden vervolgens onderworpen aan thiol-eenreacties met poly(ethyleenglycol)-tetrathiol (PEG-4SH) en F-rGO.

ICH’s gemaakt met PEG-2Ac waren afbreekbaar (DICH), terwijl die met PEG-2Mal stabiel waren (SICH). De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe ICH’s beter presteerden dan verschillende bestaande door extreem goed aan weefsels te binden en de hoogste signalen op te nemen. Onder in vitro omstandigheden (buiten een levend organisme) degradeerde SICH een maand lang niet, terwijl DICH vanaf de derde dag geleidelijk afbrak.

Wanneer DICH op muizenhuid werd geïmplanteerd, verdween het na drie dagen toediening, terwijl SICH zijn vorm tot 7 dagen behield. Naast gecontroleerde afbreekbaarheid waren beide ICH’s huidcompatibel.

Bovendien evalueerde het team het vermogen van de ICH’s om in vivo elektromyografiesignalen op te nemen in spieren en huid van ratten. Zowel SICH als DICH namen signalen van hoge kwaliteit op en overtroffen de prestaties van traditionele metalen elektroden. De SICH-opnames konden tot drie weken worden gevolgd, terwijl de DICH-signalen na vijf dagen volledig verloren gingen. Deze bevindingen suggereren de toepasbaarheid van SICH-elektroden voor langdurige signaalbewaking en die van DICH voor tijdelijk gebruik waarvoor geen chirurgische verwijdering nodig is.

Samenvattend zegt prof. Lee: “De nieuwe op grafeen gebaseerde ICH-elektroden die door ons zijn ontwikkeld, bevatten kenmerken zoals een hoge signaalgevoeligheid, eenvoud in gebruik, minimale invasiviteit en instelbare afbreekbaarheid. Al met al kunnen deze eigenschappen helpen bij de ontwikkeling van geavanceerde bio-elektronica. en functionele implanteerbare bio-elektroden voor een verscheidenheid aan medische aandoeningen, zoals neuromusculaire ziekten en neurologische aandoeningen.”