Forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago har utvecklat en hydrogel med halvledarfunktioner som behövs för att överföra information mellan levande vävnad och maskiner. Det kan användas för både implanterbar medicinsk utrustning och icke-kirurgiska tillämpningar. Bildkälla: Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago
Det ideala materialet för att ansluta elektroniska komponenter och levande vävnader bör vara mjuka, stretchbara och hydrofila, liknande hydrogeler. Halvledarmaterial är vanligtvis hårda, spröda och inte hydrofila och kan inte upplösas i vatten som hydrogeler. Om halvledare används i bioelektroniska enheter som pacemaker, biosensorer och läkemedelsleveransenheter, utgör dessa brister ett enormt hinder.
Det nya materialet uppvisar en vävnadsnivåmodul på upp till 81 kPa, en sträckbarhet på upp till 150%och en bärarmobilitet på upp till 1,4 kvadratcentimeter/volt-sekunder. Detta visar att detta material, som har både halvledaregenskaper och hydrogelegenskaper, uppfyller alla krav för ett idealiskt bioelektroniskt gränssnitt.
Eftersom implanterbara bioelektroniska apparater är i direktkontakt med vävnader, måste de kunna deformera med vävnaderna för att bilda ett mycket kompakt biologiskt gränssnitt.
Den traditionella metoden för att framställa hydrogeler är att lösa upp ett material i vatten och sedan lägga till det för att förvandla lösningen till ett geltillstånd. Men halvledarmaterial är vanligtvis olösliga i vatten. För detta ändamål utvecklade teamet en lösningsmedelsutbytesprocess. Istället för att lösa halvledaren i vatten, löses den i ett organiskt lösningsmedel som är blandbart med vatten. Sedan använder de den upplösta halvledaren och hydrogelföregångaren för att förbereda den.
Den ursprungliga produkten är en organisk gel. Teamet suger sedan hela materialsystemet i vatten för att lösa upp det organiska lösningsmedlet och låta vatten penetrera det. Det resulterande materialet kan användas i stor utsträckning i en mängd olika polymerhalvledare med olika funktioner.
Det är värt att notera att jämfört med traditionella hydrogeler förbättrar detta nya material inte bara biologiska funktioner, utan visar också förmågan att överträffa enkla hydrogeler eller halvledarmaterial i många aspekter, vilket uppnår bättre omfattande effekter.
Denna forskning kommer för närvarande främst att lösa de utmaningar som implanterbara medicinska apparater som biokemiska sensorer och pacemakers möter, men den har också många potentiella icke-invasiva applikationer, till exempel mer exakt läsning av huddata och förbättrad sårvård. Materialet har extremt mjuka mekaniska egenskaper och högt vatteninnehåll, som liknar levande vävnad. Samtidigt är det också poröst, vilket innebär att olika näringsämnen och kemikalier kan transporteras. När alla dessa egenskaper kombineras kommer den nya hydrogeln att bli ett av de mest användbara materialen inom vävnadsteknik och läkemedelsleverans.
Denna forskning kommer för närvarande att fokusera på att lösa de utmaningar som implanterbara medicinska apparater som biokemiska sensorer och pacemakers möter, men den har också många potentiella icke-invasiva applikationer, till exempel mer exakt läsning av huddata och förbättrad sårvård. Materialet har extremt mjuka mekaniska egenskaper och högt vatteninnehåll, som liknar levande vävnad. Samtidigt är det också poröst, vilket innebär att olika näringsämnen och kemikalier kan transporteras. När alla dessa egenskaper kombineras kommer den nya hydrogeln att bli ett av de mest användbara materialen inom vävnadsteknik och läkemedelsleverans.