Hoewel echte 'cyborgs' - deels menselijk, gedeeltelijk robotachtige wezens - zijn sciencefiction, onderzoekers nemen stappen in de richting van de integratie van elektronica met het lichaam. Dergelijke apparaten kunnen de ontwikkeling van tumoren controleren of beschadigde weefsels vervangen. Maar elektronica rechtstreeks verbinden met menselijke weefsels in het lichaam is een enorme uitdaging. Nutsvoorzieningen, een team meldt nieuwe coatings voor componenten waardoor ze gemakkelijker in deze omgeving passen.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"We kwamen op het idee voor dit project omdat we probeerden om rigide, anorganische micro-elektroden met de hersenen, maar hersenen zijn gemaakt van organisch, zout, levende materialen, " zegt David Maarten, doctoraat, die de studie leidde. "Het ging niet goed, dus we dachten dat er een betere manier moest zijn."

Traditionele micro-elektronische materialen, zoals silicium, goud, roestvrij staal en iridium, littekens veroorzaken bij implantatie. Voor toepassingen in spier- of hersenweefsel, elektrische signalen moeten stromen om goed te kunnen werken, maar littekens onderbreken deze activiteit. De onderzoekers redeneerden dat een coating zou kunnen helpen.

"We begonnen te kijken naar organische elektronische materialen zoals geconjugeerde polymeren die werden gebruikt in niet-biologische apparaten, " zegt Martijn, die aan de Universiteit van Delaware werkt. "We hebben een chemisch stabiel exemplaar gevonden dat commercieel werd verkocht als antistatische coating voor elektronische displays." Na het testen, de onderzoekers ontdekten dat het polymeer de eigenschappen had die nodig zijn voor het verbinden van hardware en menselijk weefsel.

"Deze geconjugeerde polymeren zijn elektrisch actief, maar ze zijn ook ionisch actief, Martin zegt. "Tegenionen geven ze de lading die ze nodig hebben, dus als ze in werking zijn, zowel elektronen als ionen bewegen rond." Het polymeer, bekend als poly(3, 4-ethyleendioxythiofeen) of PEDOT, de prestaties van medische implantaten drastisch verbeterd door hun impedantie twee tot drie ordes van grootte te verlagen, waardoor de signaalkwaliteit en de levensduur van de batterij bij patiënten toenemen.

Martin heeft sindsdien bepaald hoe hij het polymeer kan specialiseren, verschillende functionele groepen op PEDOT plaatsen. Een carbonzuur toevoegen, aldehyde of maleïmide substituent aan het ethyleendioxythiofeen (EDOT) monomeer geeft de onderzoekers de veelzijdigheid om polymeren te creëren met een verscheidenheid aan functies.

"De maleïmide is bijzonder krachtig omdat we chemische kliksubstituties kunnen doen om gefunctionaliseerde polymeren en biopolymeren te maken, ", zegt Martin. Het mengen van ongesubstitueerd monomeer met de maleïmide-gesubstitueerde versie resulteert in een materiaal met veel locaties waar het team peptiden kan hechten, antistoffen of DNA. "Noem je favoriete biomolecuul, en je kunt in principe een PEDOT-film maken met elke biofunctionele groep waarin je geïnteresseerd bent, " hij zegt.

Meest recent, Martin's groep creëerde een PEDOT-film met een antilichaam voor vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF) eraan bevestigd. VEGF stimuleert de groei van bloedvaten na een blessure, en tumoren kapen dit eiwit om hun bloedtoevoer te vergroten. Het polymeer dat het team ontwikkelde, zou kunnen fungeren als een sensor om overexpressie van VEGF en dus vroege stadia van ziekte te detecteren, onder andere mogelijke toepassingen.

Andere gefunctionaliseerde polymeren bevatten neurotransmitters, en deze films kunnen helpen bij het detecteren of behandelen van stoornissen in de hersenen of het zenuwstelsel. Tot dusver, het team heeft een polymeer gemaakt met dopamine, die een rol speelt bij verslavend gedrag, evenals dopamine-gefunctionaliseerde varianten van het EDOT-monomeer. Martin zegt dat deze biologisch-synthetische hybride materialen ooit nuttig kunnen zijn bij het samenvoegen van kunstmatige intelligentie met het menselijk brein.

uiteindelijk, Maarten zegt, zijn droom is om te kunnen afstemmen hoe deze materialen zich op een oppervlak afzetten en ze vervolgens in weefsel in een levend organisme te stoppen. "Het zou fascinerend zijn om de polymerisatie op een gecontroleerde manier in een levend organisme uit te voeren."