Polymerer som är bra ledare av elektricitet kan vara användbara i biomedicinska apparater, för att hjälpa till med avkänning eller elektrostimulering, till exempel. Men det har funnits en problematik som förhindrar deras utbredda användning:deras oförmåga att fästa vid en yta som en sensor eller mikrochip, och stanna kvar trots fukt från kroppen.

Nu, forskare vid MIT har kommit på ett sätt att få ledande polymergeler att fästa på våta ytor.

Den nya limmetoden beskrivs i journalen Vetenskapens framsteg i en uppsats av MIT doktorand Hyunwoo Yuk, tidigare gästforskare Akihisa Inoue, postdoc Baoyang Lu, och professor i maskinteknik Xuanhe Zhao.

De flesta elektroder som används för biomedicinska apparater är gjorda av platina eller platina-iridiumlegeringar, Zhao förklarar. Dessa är mycket bra elektriska ledare som är hållbara inne i kroppens fuktiga miljö, och kemiskt stabila så att de inte interagerar med omgivande vävnader. Men deras styvhet är en stor nackdel. Eftersom de inte kan flexa och sträcka sig när kroppen rör sig, de kan skada ömtåliga vävnader.

Konduktiva polymerer som PEDOT:PSS, däremot kan mycket nära matcha mjukheten och flexibiliteten hos de känsliga vävnaderna i kroppen. Den knepiga delen har varit att få dem att förbli fästa vid de biomedicinska enheter de är anslutna till. Forskare har kämpat i flera år för att göra dessa polymerer hållbara i kroppens fuktiga och alltid rörliga miljöer.

"Det har varit tusentals tidningar som talar om fördelarna med dessa material, "Yuk säger, men företagen som tillverkar biomedicinska apparater "använder dem bara inte, " eftersom de behöver material som är mycket pålitliga och stabila. Ett fel på materialet kan kräva en invasiv kirurgisk procedur för att ersätta det, vilket medför ytterligare risker för patienten.

Stela metallelektroder "skadar ibland vävnaderna, men de fungerar bra när det gäller tillförlitlighet och stabilitet över en period av år, " vilket inte har varit fallet med polymerersättningar förrän nu, han säger.

De flesta ansträngningar för att ta itu med detta problem har involverat att göra betydande modifieringar av polymermaterialen för att förbättra deras hållbarhet och deras förmåga att vidhäfta, men Yuk säger att det skapar sina egna problem:företag har redan investerat mycket i utrustning för att tillverka dessa polymerer, och stora förändringar av formuleringen skulle kräva betydande investeringar i ny produktionsutrustning. Dessa förändringar skulle vara för en marknad som är relativt liten i ekonomiska termer, även om det har stor potentiell påverkan. Andra metoder som har prövats är begränsade till specifika material. Istället, MIT-teamet fokuserade på att göra så få förändringar som möjligt, för att säkerställa kompatibilitet med befintliga produktionsmetoder, och göra metoden tillämpbar på en mängd olika material.

Deras metod involverar ett extremt tunt limskikt mellan den ledande polymerhydrogelen och substratmaterialet. Även om det bara är några nanometer tjockt (miljarddelar av en meter), detta skikt visar sig vara effektivt för att få gelerna att fästa på något av en mängd olika vanliga substratmaterial, inklusive glas, polyimid, Indiumtennoxid, och guld. Det vidhäftande skiktet tränger in i själva polymeren, producerar en tuff, hållbar skyddsstruktur som håller materialet på plats även när det utsätts under långa perioder för en våt miljö.

Det vidhäftande skiktet kan appliceras på enheterna genom en mängd olika standardtillverkningsprocesser, inklusive spinnbeläggning, spraybeläggning, och doppbeläggning, vilket gör det enkelt att integrera med befintliga tillverkningsplattformar. Beläggningen som forskarna använde i sina tester är gjord av polyuretan, ett hydrofilt (vattenattraherande) material som är lättillgängligt och billigt, även om andra liknande polymerer också kan användas. Sådana material "blir mycket starka när de bildar interpenetrerande nätverk, " som de gör när de beläggs på den ledande polymeren, Yuk förklarar. Denna förbättrade styrka bör ta itu med hållbarhetsproblemen förknippade med den obelagda polymeren, han säger.

Resultatet är en mekaniskt stark och ledande gel som fäster tätt med ytan den är fäst på. "Det är en väldigt enkel process, " säger Yuk.

Limningen visar sig vara mycket motståndskraftig mot böjning, vridning, och jämn vikning av substratmaterialet. Den vidhäftande polymeren har testats i labbet under accelererade åldringsförhållanden med hjälp av ultraljud, men Yuk säger att för den biomedicinska apparatindustrin att acceptera ett sådant nytt material kommer det att ta längre tid, mer rigorösa tester för att bekräfta stabiliteten hos dessa belagda fibrer under realistiska förhållanden under långa tidsperioder.

"Vi skulle mycket gärna licensiera och lägga ut den här tekniken för att testa den ytterligare i realistiska situationer, " säger han. Teamet har börjat prata med tillverkarna för att se "hur vi bäst kan hjälpa dem att testa denna kunskap, " han säger.

"Jag tycker att det här är ett fantastiskt arbete, säger Zhenan Bao, professor i kemiteknik vid Stanford University, som inte var förknippad med denna forskning. "Våta lim är redan en stor utmaning. Konduktiva lim som fungerar bra i våta förhållanden är ännu mer sällsynta. De är mycket nödvändiga för nervgränssnitt och för att registrera elektriska signaler från hjärtat eller hjärnan."

Bao säger att detta arbete "är ett stort framsteg inom bioelektronikområdet."