Durchbruch für die Bioelektrik Hydrogel-Halbleiter für bessere Gehirn-Maschine-Schnittstellen

Das ideale Material für die Verbindung von Elektronik mit lebendem Gewebe ist weich, dehnbar und genauso wasserliebend wie das Gewebe selbst – kurz gesagt, ein Hydrogel. Halbleiter, die wichtigsten Materialien für bioelektronische Geräte wie Herzschrittmacher, Biosensoren und Geräte zur Verabreichung von Medikamenten, sind dagegen starr, spröde und wasserabweisend und lassen sich nicht so auflösen, wie es bisher bei Hydrogelen der Fall war.
Eine Arbeit der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) hat diese Herausforderung, die Forscher lange Zeit in Atem gehalten hat, gelöst, indem sie den Prozess der Herstellung von Hydrogelen neu konzipiert hat, um einen leistungsstarken Halbleiter in Hydrogelform zu schaffen. Unter der Leitung der Forschungsgruppe von Assistenzprofessor Sihong Wang ist ein bläuliches Gel entstanden, das im Wasser wie eine Qualle flattert, aber die enorme Halbleitereigenschaft beibehält, die für die Übertragung von Informationen zwischen lebendem Gewebe und Maschinen erforderlich ist.

Das Material weist auf Gewebeebene einen Modulus von 81 kPa, eine Dehnbarkeit von 150 Prozent und eine Ladungsträgermobilität von bis zu 1,4 cm² V-1 s-1 auf. Das bedeutet, dass ihr Material – Halbleiter und Hydrogel zugleich – alle Voraussetzungen für eine ideale bioelektronische Schnittstelle erfüllt. „Bei der Herstellung implantierbarer bioelektronischer Geräte besteht eine Herausforderung darin, ein Gerät mit gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften herzustellen“, so Yahao Dai, der Erstautor der neuen Arbeit. „Wenn es direkt mit dem Gewebe verbunden wird, können sie sich gemeinsam verformen und eine sehr intime Bioschnittstelle bilden.

Obwohl sich die Arbeit vor allem mit den Herausforderungen für implantierte medizinische Geräte wie biochemische Sensoren und Herzschrittmacher befasste, sagte Dai, dass das Material auch viele potenzielle nicht-chirurgische Anwendungen hat, wie zum Beispiel eine bessere Ablesbarkeit der Haut oder eine verbesserte Wundversorgung. „Es hat sehr weiche mechanische Eigenschaften und einen hohen Hydratationsgrad, der dem von lebendem Gewebe ähnelt“, sagte Wang, PME-Assistenzprofessor an der UChicago University. „Hydrogel ist außerdem sehr porös, so dass es einen effizienten Transport von verschiedenen Nährstoffen und Chemikalien ermöglicht. All diese Eigenschaften zusammen machen Hydrogel zum wahrscheinlich nützlichsten Material für die Gewebezüchtung und die Verabreichung von Medikamenten.“

Ändern der Perspektive

Die typische Methode zur Herstellung eines Hydrogels besteht darin, ein Material zu nehmen, es in Wasser aufzulösen und die Gelierchemikalien hinzuzufügen, um die neue Flüssigkeit in eine Gelform zu pressen. Manche Materialien lösen sich einfach in Wasser auf, bei anderen müssen die Forscher den Prozess chemisch modifizieren, aber der Kernmechanismus ist derselbe: Kein Wasser, kein Hydrogel. Halbleiter lösen sich jedoch normalerweise nicht in Wasser auf. Anstatt neue, zeitaufwändige Mittel zu finden, um den Prozess zu erzwingen, untersuchte das PME-Team der UChicago die Frage erneut.

„Wir begannen zu denken: ,Okay, lasst uns unsere Perspektive ändern', und wir kamen auf ein Lösungsmittelaustauschverfahren“, sagte Dai. Anstatt die Halbleiter in Wasser aufzulösen, lösten sie sie in einem organischen Lösungsmittel, das mit Wasser mischbar ist. Anschließend stellten sie ein Gel aus den gelösten Halbleitern und Hydrogelvorläufern her. Ihr Gel war zunächst ein Organogel, kein Hydrogel. „Um es schließlich in ein Hydrogel zu verwandeln, haben wir das gesamte Materialsystem in Wasser getaucht, um das organische Lösungsmittel herauszulösen und das Wasser eindringen zu lassen“, so Dai. Ein wichtiger Vorteil einer solchen auf dem Austausch von Lösungsmitteln basierenden Methode ist ihre breite Anwendbarkeit auf verschiedene Arten von Polymer-Halbleitern mit unterschiedlichen Funktionen.

„Eins plus eins ist größer als zwei“

Der Hydrogel-Halbleiter, den das Team patentiert hat und über das Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation der UChicago vermarktet, ist keine Verschmelzung eines Halbleiters mit einem Hydrogel. Es handelt sich um ein Material, das gleichzeitig Halbleiter und Hydrogel ist. „Es handelt sich um ein einziges Stück, das sowohl halbleitende Eigenschaften als auch ein Hydrogel-Design hat, das heißt das ganze Stück ist wie jedes andere Hydrogel“, so Wang.

Im Gegensatz zu anderen Hydrogelen verbesserte das neue Material jedoch die biologischen Funktionen in zwei Bereichen und führte zu besseren Ergebnissen, als es Hydrogel oder Halbleiter allein könnten. Erstens werden durch die direkte Verbindung eines sehr weichen Materials mit dem Gewebe die Immunreaktionen und Entzündungen reduziert, die normalerweise bei der Implantation eines medizinischen Geräts auftreten. Zweitens ermöglicht das neue Material aufgrund der hohen Porosität von Hydrogelen eine höhere Biosensorik und stärkere Photomodulationseffekte. Da Biomoleküle in den Film diffundieren können, um volumetrische Wechselwirkungen zu haben, werden die Wechselwirkungsstellen für die zu detektierenden Biomarker erheblich vergrößert, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt. Neben der Sensorik wird auch die Reaktion auf Licht für therapeutische Zwecke an Gewebeoberflächen durch den effizienteren Transport redoxaktiver Spezies verbessert. Dies kommt Funktionen wie lichtgesteuerten Herzschrittmachern oder Wundverbänden zugute, die durch einen Lichtblitz effizienter erwärmt werden können, um die Heilung zu beschleunigen. „Es ist eine Art 'eins plus eins ist größer als zwei' Kombination“, scherzte Wang.