Polymeren die goede geleiders van elektriciteit zijn, kunnen nuttig zijn in biomedische apparaten, om te helpen bij detectie of elektrostimulatie, bijvoorbeeld. Maar er was een knelpunt dat het wijdverbreide gebruik ervan verhinderde:hun onvermogen om zich te hechten aan een oppervlak zoals een sensor of microchip, en blijf zitten ondanks vocht uit het lichaam.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier bedacht om geleidende polymeergels aan natte oppervlakken te laten hechten.

De nieuwe lijmmethode wordt beschreven in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang in een paper van MIT-promovendus Hyunwoo Yuk, voormalig gastonderzoeker Akihisa Inoue, postdoc Baoyang Lu, en hoogleraar werktuigbouwkunde Xuanhe Zhao.

De meeste elektroden die worden gebruikt voor biomedische apparaten zijn gemaakt van platina of platina-iridiumlegeringen, legt Zhao uit. Dit zijn zeer goede elektrische geleiders die duurzaam zijn in de vochtige omgeving van het lichaam, en chemisch stabiel, zodat ze geen interactie aangaan met de omliggende weefsels. Maar hun stijfheid is een groot nadeel. Omdat ze niet kunnen buigen en strekken als het lichaam beweegt, ze kunnen gevoelige weefsels beschadigen.

Geleidende polymeren zoals PEDOT:PSS, daarentegen, kan heel goed aansluiten bij de zachtheid en flexibiliteit van de kwetsbare weefsels in het lichaam. Het lastige was om ze vast te houden aan de biomedische apparaten waarmee ze zijn verbonden. Onderzoekers worstelen al jaren om deze polymeren duurzaam te maken in de vochtige en altijd bewegende omgevingen van het lichaam.

"Er zijn duizenden kranten geweest over de voordelen van deze materialen, "Jak zegt, maar de bedrijven die biomedische apparaten maken "gebruiken ze gewoon niet, " omdat ze materialen nodig hebben die buitengewoon betrouwbaar en stabiel zijn. Een defect van het materiaal kan een invasieve chirurgische procedure vereisen om het te vervangen, wat een extra risico voor de patiënt met zich meebrengt.

Stijve metalen elektroden "beschadigen soms de weefsels, maar ze werken goed in termen van betrouwbaarheid en stabiliteit over een periode van jaren, " wat tot nu toe niet het geval was met polymeervervangers, hij zegt.

De meeste inspanningen om dit probleem aan te pakken, hadden betrekking op het aanbrengen van significante wijzigingen aan de polymeermaterialen om hun duurzaamheid en hun vermogen om te hechten te verbeteren, maar Yuk zegt dat dat zijn eigen problemen veroorzaakt:bedrijven hebben al zwaar geïnvesteerd in apparatuur om deze polymeren te vervaardigen, en grote veranderingen in de formulering zouden aanzienlijke investeringen in nieuwe productieapparatuur vergen. Deze veranderingen zijn voor een markt die economisch gezien relatief klein is, hoewel groot in potentiële impact. Andere benaderingen die zijn geprobeerd, zijn beperkt tot specifieke materialen. In plaats daarvan, het MIT-team concentreerde zich op het maken van zo min mogelijk wijzigingen, om compatibiliteit met bestaande productiemethoden te garanderen, en het toepasbaar maken van de methode op een grote verscheidenheid aan materialen.

Hun methode omvat een extreem dunne kleeflaag tussen de geleidende polymeerhydrogel en het substraatmateriaal. Hoewel slechts enkele nanometers dik (miljardsten van een meter), deze laag blijkt effectief te zijn om de gels te laten hechten aan een groot aantal veelgebruikte substraatmaterialen, inclusief glas, polyimide, indiumtinoxide, en goud. De lijmlaag dringt door in het polymeer zelf, het produceren van een taaie, duurzame beschermende structuur die het materiaal op zijn plaats houdt, zelfs bij langdurige blootstelling aan een natte omgeving.

De kleeflaag kan op de apparaten worden aangebracht door middel van een verscheidenheid aan standaard productieprocessen, inclusief spincoating, spuitcoating, en dompelcoating, waardoor het eenvoudig te integreren is met bestaande fabricageplatforms. De coating die de onderzoekers in hun tests gebruikten, is gemaakt van polyurethaan, een hydrofiel (wateraantrekkend) materiaal dat gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop is, hoewel andere soortgelijke polymeren ook zouden kunnen worden gebruikt. Dergelijke materialen "worden erg sterk wanneer ze elkaar doordringende netwerken vormen, " zoals ze doen wanneer ze zijn gecoat op het geleidende polymeer, legt Yuk uit. Deze verbeterde sterkte zou de duurzaamheidsproblemen van het ongecoate polymeer moeten aanpakken, hij zegt.

Het resultaat is een mechanisch sterke en geleidende gel die stevig hecht aan het oppervlak waaraan het is bevestigd. "Het is een heel eenvoudig proces, ' zegt Yuk.

De verlijming blijkt zeer goed bestand te zijn tegen buigen, draaien, en zelfs vouwen van het substraatmateriaal. Het zelfklevende polymeer is in het laboratorium getest onder versnelde verouderingscondities met behulp van ultrageluid, maar Yuk zegt dat het langer zal duren voordat de industrie voor biomedische apparaten zo'n nieuw materiaal accepteert, meer rigoureuze tests om de stabiliteit van deze gecoate vezels onder realistische omstandigheden gedurende lange tijd te bevestigen.

"We willen deze technologie graag in licentie geven en beschikbaar stellen om deze verder te testen in realistische situaties. " zegt hij. Het team is begonnen met fabrikanten te praten "hoe we hen het beste kunnen helpen om deze kennis te testen, " hij zegt.

"Ik denk dat dit een geweldig stuk werk is, " zegt Zhenan Bao, een professor in chemische technologie aan de Stanford University, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Natte lijmen zijn al een grote uitdaging. Geleidende lijmen die goed werken in natte omstandigheden zijn nog zeldzamer. Ze zijn hard nodig voor zenuwinterfaces en het opnemen van elektrische signalen van het hart of de hersenen."

Bao zegt dat dit werk "een grote vooruitgang is op het gebied van bio-elektronica."