På grund av deras vävnadsliknande mekaniska egenskaper, hydrogeler används alltmer för biomedicinska tillämpningar; ett välkänt exempel är mjuka kontaktlinser. Dessa gelliknande polymerer består av 90 procent vatten, är elastiska och särskilt biokompatibla. Hydrogeler som också är elektriskt ledande tillåter ytterligare användningsområden, till exempel vid överföring av elektriska signaler i kroppen eller som sensorer. Ett tvärvetenskapligt forskarlag från Research Training Group (RTG) 2154 "Materials for Brain" vid Kiel University (CAU) har nu utvecklat en metod för att producera hydrogeler med en utmärkt nivå av elektrisk ledningsförmåga. Det som gör denna metod speciell är att de mekaniska egenskaperna hos hydrogelerna till stor del bibehålls. På så sätt kan de vara särskilt väl lämpade, till exempel, som material för medicinska funktionella implantat, som används för att behandla vissa hjärnsjukdomar. Gruppens resultat publicerades den 16 mars, 2021 i den prestigefyllda tidskriften Nanobokstäver .

"Hydrogelernas elasticitet kan anpassas till olika typer av vävnader i kroppen och även till hjärnvävnadens konsistens. Det är därför vi är särskilt intresserade av dessa hydrogeler som implantatmaterial, " förklarar materialvetaren Margarethe Hauck, doktorand i RTG 2154 och en av studiens huvudförfattare. Som sådan, det tvärvetenskapliga samarbetet mellan material och medicinska forskare fokuserar på utvecklingen av nya material för implantat, till exempel för frisättning av aktiva substanser för att behandla hjärnsjukdomar som epilepsi, tumörer eller aneurysm. Konduktiva hydrogeler skulle kunna användas för att kontrollera frisättningen av aktiva substanser för att kunna behandla vissa sjukdomar lokalt på ett mer målinriktat sätt.

För att producera elektriskt ledande hydrogeler, konventionella hydrogeler blandas vanligtvis med strömledande nanomaterial som är gjorda av metaller eller kol, som guld nanotrådar, grafen eller kolnanorör. För att uppnå en bra nivå av konduktivitet, en hög koncentration av nanomaterial krävs ofta. Dock, detta förändrar de ursprungliga mekaniska egenskaperna hos hydrogelerna, såsom deras elasticitet, och därmed påverkar deras interaktion med de omgivande cellerna. "Celler är särskilt känsliga för naturen i sin omgivning. De känner sig mest bekväma med material omkring sig vars egenskaper så nära som möjligt motsvarar deras naturliga omgivning i kroppen, " förklarar Christine Arndt, doktorand vid Institutet för materialvetenskap vid Kiel University och även huvudförfattare till studien.

Produktionsmetoden kräver mindre grafen än tidigare metoder

I nära samarbete med olika arbetsgrupper, forskargruppen kunde nu utveckla en hydrogel som har en idealisk kombination:den är inte bara elektriskt ledande, men behåller också sin ursprungliga elasticitetsnivå. För konduktiviteten, forskarna använde grafen, ett material som redan har använts i andra produktionssätt. "Grafen har enastående elektriska och mekaniska egenskaper och är också mycket lätt, " säger Dr Fabian Schütt, junior gruppledare i forskarutbildningsgruppen, vilket betonar fördelarna med det ultratunna materialet, som består av endast ett lager kolatomer. Det som gör denna nya metod annorlunda är mängden grafen som används. "Vi använder betydligt mindre grafen än tidigare studier, och som resultat, hydrogelens nyckelegenskaper bibehålls, " säger Schütt om den aktuella studien, som han initierade.

För att uppnå detta mål, forskarna belade en fin ramstruktur av keramiska mikropartiklar tunt med grafenflingor. Sedan tillsatte de hydrogelen polyakrylamid, som innesluter ramstrukturen, som slutligen etsades bort. Den tunna grafenbeläggningen i hydrogelen förblir opåverkad av denna process. Hela hydrogelen är nu sträckt med grafenbelagda mikrokanaler, liknar ett artificiellt nervsystem.

Speciella 3D-bilder av Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) visar kanalsystemets högelektroniska ledningsförmåga:"På grund av en mängd kopplingar mellan de individuella grafenrören, elektriska signaler letar sig alltid igenom materialet och gör det extremt pålitligt, " säger Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Avdelningschef för bild- och datavetenskap vid HZG och associerad medlem i RTG. Med hjälp av högintensiva röntgenstrålar tog matematikern bilderna inom en kort tidsram vid bildstrållinjen som drivs av HZG vid lagringsringen PETRA III vid Deutsche Elektronensynchrotron DESY. Och det tredimensionella nätverket har ytterligare en fördel:dess töjbarhet gör det möjligt för det att anpassa sig relativt flexibelt till sin omgivning.

Ytterligare användningsområden inom biomedicin och mjuk robotik

"Med samarbetet mellan olika arbetsgrupper, RTG erbjuder idealiska förutsättningar för biomedicinska forskningsfrågor som kräver ett tvärvetenskapligt förhållningssätt, " säger Christine Selhuber-Unkel, första talesman för RTG och nu professor i molekylär systemteknik vid Heidelbergs universitet. "Detta är ett komplext forskningsfält eftersom det kombinerar både materialvetenskap och medicin och kommer sannolikt att utvecklas enormt mycket under de kommande åren, samtidigt som den nationella och internationella efterfrågan på kvalificerade specialister kommer att öka – och det är detta vi vill förbereda våra doktorander på på bästa möjliga sätt, ", tillägger hennes efterträdare Rainer Adelung, Professor i funktionella nanomaterial vid Kiel University och talesperson för RTG sedan 2020.

I framtiden, olika ytterligare tillämpningar av den nya ledande hydrogelen är möjliga:Margarethe Hauck planerar att utveckla en hydrogel som reagerar på små temperaturförändringar och som kan frigöra aktiva ämnen i hjärnan på ett kontrollerat sätt. Christine Arndt arbetar med hur elektriskt ledande hydrogeler kan användas som biohybridrobotar. Den kraft som celler utövar på sin omgivning skulle kunna användas här för att driva miniatyriserade robotsystem.