Även om sanna "cyborgs" - delvis mänskliga, delvis robotvarelser - är science fiction, forskare tar steg mot att integrera elektronik med kroppen. Sådana anordningar kan övervaka tumörutveckling eller stå för skadade vävnader. Men att koppla elektronik direkt till mänskliga vävnader i kroppen är en enorm utmaning. Nu, ett team rapporterar nya beläggningar för komponenter som kan hjälpa dem att lättare passa in i den här miljön.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Vi fick idén till det här projektet eftersom vi försökte gränssnittet stela, oorganiska mikroelektroder med hjärnan, men hjärnor är gjorda av organiskt, salt, levande material, säger David Martin, Ph.D., som ledde studien. "Det fungerade inte bra, så vi tänkte att det måste finnas ett bättre sätt."

Traditionella mikroelektroniska material, som kisel, guld, rostfritt stål och iridium, orsaka ärrbildning vid implantation. För tillämpningar i muskel- eller hjärnvävnad, elektriska signaler måste flöda för att de ska fungera korrekt, men ärr avbryter denna aktivitet. Forskarna resonerade att en beläggning kunde hjälpa.

"Vi började titta på organiska elektroniska material som konjugerade polymerer som användes i icke-biologiska enheter, säger Martin, som är vid University of Delaware. "Vi hittade ett kemiskt stabilt exempel som såldes kommersiellt som en antistatisk beläggning för elektroniska skärmar." Efter testning, forskarna fann att polymeren hade de egenskaper som krävs för att möta hårdvara och mänsklig vävnad.

"Dessa konjugerade polymerer är elektriskt aktiva, men de är också joniskt aktiva, " säger Martin. "Motjoner ger dem den laddning de behöver så när de är i drift, både elektroner och joner rör sig." Polymeren, känd som poly(3, 4-etylendioxitiofen) eller PEDOT, dramatiskt förbättrat prestandan för medicinska implantat genom att sänka deras impedans två till tre storleksordningar, vilket ökar signalkvaliteten och batteritiden hos patienter.

Martin har sedan dess bestämt hur man ska specialisera polymeren, sätta olika funktionella grupper på PEDOT. Tillsätter en karboxylsyra, aldehyd- eller maleimidsubstituent till monomeren etylendioxitiofen (EDOT) ger forskarna mångsidigheten att skapa polymerer med en mängd olika funktioner.

"Maleimiden är särskilt kraftfull eftersom vi kan göra klickkemisubstitutioner för att göra funktionaliserade polymerer och biopolymerer, " säger Martin. Att blanda osubstituerad monomer med den maleimid-substituerade versionen resulterar i ett material med många platser där teamet kan fästa peptider, antikroppar eller DNA. "Nämn din favoritbiomolekyl, och du kan i princip göra en PEDOT-film som har vilken biofunktionell grupp du än är intresserad av, " han säger.

Senast, Martins grupp skapade en PEDOT-film med en antikropp för vaskulär endoteltillväxtfaktor (VEGF) fäst. VEGF stimulerar blodkärlstillväxt efter skada, och tumörer kapar detta protein för att öka deras blodtillförsel. Polymeren som teamet utvecklade kunde fungera som en sensor för att upptäcka överuttryck av VEGF och därmed tidiga stadier av sjukdom, bland andra potentiella tillämpningar.

Andra funktionaliserade polymerer har neurotransmittorer på sig, och dessa filmer kan hjälpa till att känna av eller behandla störningar i hjärnan eller nervsystemet. Än så länge, laget har gjort en polymer med dopamin, som spelar en roll i beroendeframkallande beteenden, såväl som dopaminfunktionaliserade varianter av EDOT-monomeren. Martin säger att dessa biologiskt-syntetiska hybridmaterial en dag kan vara användbara för att slå samman artificiell intelligens med den mänskliga hjärnan.

I sista hand, Martin säger, hans dröm är att kunna skräddarsy hur dessa material avsätts på en yta och sedan lägga dem i vävnad i en levande organism. "Förmågan att göra polymerisationen på ett kontrollerat sätt inuti en levande organism skulle vara fascinerande."