Wetenschap
Flexibel, biologisch afbreekbaar en draadloos magneto-elektrisch papier voor eenvoudige in situ personalisatie van bio-elektrische implantaten
Een onderzoeksteam, gezamenlijk geleid door professoren Jiyun Kim, Chaenyung Cha en Myoung Hoon Song van de afdeling Materials Science and Engineering van UNIST, heeft 's werelds eerste flexibele, biologisch afbreekbare bio-elektronische papier onthuld met homogeen verdeelde draadloze stimulatiefunctionaliteit voor eenvoudige personalisatie van bio-elektronische implantaten.
Deze innovatieve materialen zijn gemaakt van functionele materialen op nanoschaal en kunnen dus verder worden aangepast met behulp van eenvoudige methoden, zoals rollen, snijden, naar binnen vouwen en naar buiten vouwen, zonder de functionaliteit te verliezen.
Het onderzoeksteam verwacht dat deze resultaten met een ongekende ontwerpflexibiliteit een basis kunnen leggen voor de goedkope, eenvoudige en snelle personalisatie van tijdelijke bio-elektronische implantaten voor minimaal invasieve draadloze stimulatietherapieën.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .
Geïmplanteerde apparaten voor elektrische stimulatie zijn cruciaal voor het bevorderen van neuronale activiteit en weefselregeneratie door middel van elektrische stimulatie. Daarom zijn deze apparaten essentieel voor de behandeling van verschillende neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer.
De meeste moderne bio-elektronische implantaten vereisen echter stijve en omvangrijke elektronica die mechanisch incompatibel is met de delicate structuur van zenuwen en andere weefsels, waardoor het moeilijk wordt om in realtime vrijelijk in verschillende maten en vormen te veranderen. P>
Bovendien kunnen de noodzaak van draadverbindingen, het vervangen van de batterij en het verwijderen van batterijen na de behandeling het risico op infectie verhogen en klinische behandelingen complex maken.
In deze studie heeft het onderzoeksteam met succes een flexibel, biomimetisch, lichtgewicht en biologisch afbreekbaar bio-elektronisch papier ontwikkeld dat na de fabricage kan worden gesneden en op maat gemaakt met behoud van functionaliteiten, waardoor een eenvoudige en snelle productie van bio-elektronische implantaten van verschillende maten, vormen en micro-organismen mogelijk is. - en macrostructuren.
Ten eerste synthetiseerden ze magneto-elektrische nanodeeltjes (MEN's) die elektrische stimulatie mogelijk maken als reactie op een extern magnetisch veld. De gesynthetiseerde nanodeeltjes hebben de vorm van een "Core@Shell"-structuur die een magnetostrictieve kern koppelt die het magnetische veld omzet in lokale spanning en een piëzo-elektrische schil die spanning omzet in een elektrisch veld.
Door MEN's te integreren in elektrogesponnen biologisch afbreekbare nanovezels (NF's), produceerde het team een papierachtige, biologisch afbreekbare, poreuze, draadloze elektrostimulator. In vitro-experimenten hebben verder het vermogen van het materiaal aangetoond om draadloze elektrostimulatie te bieden en tegelijkertijd neuronale activiteit te bevorderen.
"Het ontwikkelde materiaal biedt gepersonaliseerde behandelingsopties die zijn afgestemd op individuele behoeften en fysieke kenmerken, waardoor behandelingsprocessen worden vereenvoudigd, de flexibiliteit en veelzijdigheid worden vergroot in op elektrische stimulatie gebaseerde klinische toepassingen", zegt postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Jun Kyu Choe.
Het vervaardigde materiaal is zo flexibel en licht als papier. Het kan nauw verbonden zijn langs complexe oppervlakken, zoals het gebogen oppervlak van menselijke hersenmodellen. Het kan met name ook in willekeurige vormen en schalen worden gesneden, terwijl het zijn functie behoudt.
Bovendien vertoonde het een uitzonderlijke flexibiliteit die voldoende was om een cilindrisch zenuwkanaal te vervaardigen om zenuwen te regenereren, met een aangetoonde buigradius van 400 µm.
Volgens het onderzoeksteam presenteert dit werk een veelbelovende strategie voor de ontwikkeling van flexibele en biologisch afbreekbare draadloze bio-elektronische implantaten die eenvoudig kunnen worden aangepast aan verschillende klinische en fysieke omstandigheden.
"De combinatie van magneto-elektrische en biologisch afbreekbare vezelmaterialen op nanoschaal biedt voordelen ten opzichte van traditionele draadloze elektronische apparaten op systeemniveau die afhankelijk zijn van een ingewikkelde assemblage van omvangrijke componenten die na de fabricage niet opnieuw kunnen worden ontworpen."
Professor Kim verklaarde:"Het bio-elektronische papier kan in principe eenvoudig worden aangepast aan orgaanschalen van enkele tientallen centimeters of worden geminiaturiseerd tot sub-micrometerschalen voor minimaal invasieve operaties, aangezien de magneto-elektriciteit of microstructuur niet afhankelijk is van de schaal ervan." /P>
"Over het geheel genomen zou ons bio-elektronische artikel met gemakkelijke en brede toepasbaarheid een nieuw plan kunnen openen voor minimaal invasieve en biologisch afbreekbare draadloze bio-elektronische implantaten."