Vanwege hun weefselachtige mechanische eigenschappen, hydrogels worden steeds vaker gebruikt voor biomedische toepassingen; een bekend voorbeeld zijn zachte contactlenzen. Deze gelachtige polymeren bestaan ​​voor 90 procent uit water, zijn elastisch en bijzonder biocompatibel. Hydrogels die ook elektrisch geleidend zijn, maken extra toepassingsgebieden mogelijk, bijvoorbeeld bij de overdracht van elektrische signalen in het lichaam of als sensoren. Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Research Training Group (RTG) 2154 "Materials for Brain" aan de Kiel University (CAU) heeft nu een methode ontwikkeld om hydrogels te produceren met een uitstekende elektrische geleidbaarheid. Het bijzondere aan deze methode is dat de mechanische eigenschappen van de hydrogels grotendeels behouden blijven. Op deze manier zouden ze bijzonder geschikt kunnen zijn, bijvoorbeeld, als materiaal voor medische functionele implantaten, die worden gebruikt om bepaalde hersenziekten te behandelen. De bevindingen van de groep werden op 16 maart gepubliceerd, 2021 in het prestigieuze tijdschrift Nano-letters .

"De elasticiteit van hydrogels kan worden aangepast aan verschillende soorten weefsel in het lichaam en zelfs aan de consistentie van hersenweefsel. Daarom zijn we bijzonder geïnteresseerd in deze hydrogels als implantaatmaterialen, " legt materiaalwetenschapper Margarethe Hauck uit, een doctoraal onderzoeker in RTG 2154 en een van de hoofdauteurs van de studie. Als zodanig, de interdisciplinaire samenwerking van materiaal- en medische wetenschappers richt zich op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor implantaten, bijvoorbeeld voor de afgifte van werkzame stoffen voor de behandeling van hersenziekten zoals epilepsie, tumoren of aneurysma's. Geleidende hydrogels zouden kunnen worden gebruikt om de afgifte van werkzame stoffen te controleren om bepaalde ziekten lokaal gerichter te behandelen.

Om elektrisch geleidende hydrogels te produceren, conventionele hydrogels worden meestal gemengd met stroomgeleidende nanomaterialen die zijn gemaakt van metalen of koolstof, zoals gouden nanodraden, grafeen of koolstof nanobuisjes. Om een ​​goede geleidbaarheid te bereiken, vaak is een hoge concentratie aan nanomaterialen vereist. Echter, dit verandert de oorspronkelijke mechanische eigenschappen van de hydrogels, zoals hun elasticiteit, en beïnvloedt zo hun interactie met de omringende cellen. "Cellen zijn bijzonder gevoelig voor de aard van hun omgeving. Ze voelen zich het prettigst bij materialen om hen heen waarvan de eigenschappen zo dicht mogelijk overeenkomen met hun natuurlijke omgeving in het lichaam, " legt Christine Arndt uit, een doctoraal onderzoeker aan het Institute for Materials Science aan de Kiel University en tevens hoofdauteur van de studie.

Productiemethode vereist minder grafeen dan eerdere benaderingen

In nauwe samenwerking met verschillende werkgroepen, het onderzoeksteam kon nu een hydrogel ontwikkelen met een ideale combinatie:het is niet alleen elektrisch geleidend, maar behoudt ook zijn oorspronkelijke elasticiteit. Voor de geleidbaarheid de wetenschappers gebruikten grafeen, een materiaal dat al in andere productiebenaderingen is gebruikt. "Grafeen heeft uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen en is ook erg licht, " zegt Dr. Fabian Schütt, junior groepsleider in de Research Training Group, waardoor de voordelen van het ultradunne materiaal worden benadrukt, die uit slechts één laag koolstofatomen bestaat. Wat deze nieuwe methode anders maakt, is de hoeveelheid grafeen die wordt gebruikt. "We gebruiken aanzienlijk minder grafeen dan eerdere studies, en als een resultaat, de belangrijkste eigenschappen van de hydrogel blijven behouden, " zegt Schütt over de huidige studie, die hij initieerde.

Om dit doel te bereiken, de wetenschappers bedekten een fijne raamstructuur van keramische microdeeltjes dun met grafeenvlokken. Daarna voegden ze de hydrogel polyacrylamide toe, die de raamstructuur omsloten, die uiteindelijk werd weggeëtst. De dunne grafeencoating in de hydrogel blijft onaangetast door dit proces. De hele hydrogel is nu bezaaid met met grafeen gecoate microkanalen, vergelijkbaar met een kunstmatig zenuwstelsel.

Speciale 3D-beelden van het Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) tonen de zeer elektronische geleidbaarheid van het kanaalsysteem:"Door een veelvoud aan verbindingen tussen de afzonderlijke grafeenbuizen, elektrische signalen vinden altijd hun weg door het materiaal en maken het uiterst betrouwbaar, " zegt Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Afdelingshoofd Imaging and Data Science bij HZG en geassocieerd lid van de RTG. Met behulp van röntgenstralen met hoge intensiteit nam de wiskundige de beelden in een kort tijdsbestek bij de beeldbundellijn die wordt bediend door de HZG bij de opslagring PETRA III bij de Deutsche Elektronensynchrotron DESY. En het driedimensionale netwerk heeft nog een ander voordeel:door zijn rekbaarheid kan het zich relatief flexibel aanpassen aan zijn omgeving.

Andere toepassingsgebieden in de biogeneeskunde en zachte robotica

"Met de samenwerkingen tussen verschillende werkgroepen, de RTG biedt ideale voorwaarden voor biomedische onderzoeksvragen die een interdisciplinaire aanpak vergen, " zegt Christine Selhuber-Unkel, eerste woordvoerder van de RTG en nu hoogleraar Molecular Systems Engineering aan de Universiteit van Heidelberg. "Dit is een complex onderzoeksgebied omdat het zowel materiaalwetenschap als geneeskunde combineert en zich de komende jaren waarschijnlijk enorm zal ontwikkelen, terwijl de nationale en internationale vraag naar gekwalificeerde specialisten zal toenemen – en daar willen we onze doctorandi zo goed mogelijk op voorbereiden, " voegt haar opvolger Rainer Adelung toe, Hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de Kiel University en sinds 2020 woordvoerder van de RTG.

In de toekomst, verschillende aanvullende toepassingen van de nieuwe geleidende hydrogel zijn mogelijk:Margarethe Hauck wil een hydrogel ontwikkelen die reageert op kleine temperatuurschommelingen en op gecontroleerde wijze actieve stoffen in de hersenen kan vrijgeven. Christine Arndt werkt aan hoe elektrisch geleidende hydrogels kunnen worden gebruikt als biohybride robots. De kracht die cellen uitoefenen op hun omgeving zou hier gebruikt kunnen worden om geminiaturiseerde robotsystemen aan te drijven.