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Apr 21, 2023

Die Ingenieurin

Forscher in Südkorea haben eine auf Graphen basierende Technologie entwickelt

Forscher in Südkorea haben leitfähige Hydrogele auf Graphenbasis entwickelt, die über Injektionsfähigkeit und einstellbare Abbaubarkeit verfügen, ein Fortschritt, der angeblich das Design und die Entwicklung fortschrittlicher implantierbarer Bioelektroden vorantreibt.

Implantierbare Bioelektroden sind elektronische Geräte, die biologische Aktivitäten überwachen oder stimulieren können, indem sie Signale an und von lebenden biologischen Systemen übertragen. Solche Geräte können unter Verwendung verschiedener Materialien und Techniken hergestellt werden, und die Auswahl des richtigen Materials hinsichtlich Leistung und Biokompatibilität ist entscheidend. Bisher sind herkömmliche Bioelektroden auf Metallbasis mit schmerzhaften Schnitten, Gewebeentzündungen, ineffizienter Signalübertragung und unkontrollierter Stabilität in lebenden biologischen Systemen verbunden.

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Leitfähige Hydrogele erfreuen sich aufgrund ihrer Flexibilität, Kompatibilität und hervorragenden Wechselwirkungsfähigkeit großer Beliebtheit, das Fehlen von Injizierbarkeit und Abbaubarkeit schränkt jedoch ihre Benutzerfreundlichkeit und Leistung in biologischen Systemen ein.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Professor Jae Young Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) injizierbare leitfähige Hydrogele (ICHs) auf Graphenbasis entwickelt, die diese Herausforderungen meistern. Die Ergebnisse des Teams sind in Small detailliert beschrieben.

In einer Erklärung sagte Prof. Lee: „Herkömmliche implantierbare Elektroden verursachen häufig mehrere Probleme, wie zum Beispiel große Einschnitte für die Implantation und unkontrollierte Stabilität im Körper. Im Gegensatz dazu ermöglichen leitfähige Hydrogelmaterialien eine minimalinvasive Verabreichung und Kontrolle über die funktionelle In-vivo-Lebensdauer der Bioelektrode.“ sind daher sehr erwünscht.“

Um die ICHs zu synthetisieren, verwendeten die Forscher aufgrund seiner großen Oberfläche und wünschenswerten elektrischen und mechanischen Eigenschaften Thiol-funktionalisiertes reduziertes Graphenoxid (F-rGO) als leitfähige Komponente. Sie wählten mit Dimaleimid (PEG-2Mal) und Diacrylat (PEG-2Ac) funktionalisiertes Polyethylenglykol als Präpolymere, um die Entwicklung stabiler bzw. hydrolysierbarer ICHs zu erleichtern. Diese Präpolymere wurden dann Thiol-En-Reaktionen mit Poly(ethylenglykol)tetrathiol (PEG-4SH) und F-rGO unterzogen.

Laut GIST waren ICHs, die mit PEG-2Ac hergestellt wurden, abbaubar (DICH), während diejenigen mit PEG-2Mal stabil waren (SICH). Die Forscher fanden heraus, dass die neuartigen ICHs die bestehenden übertrafen, indem sie sich gut an Gewebe binden und die höchsten Signale aufzeichnen. Unter In-vitro-Bedingungen wurde SICH einen Monat lang nicht abgebaut, während DICH ab dem dritten Tag einen allmählichen Abbau zeigte.

Bei der Implantation auf die Haut von Mäusen verschwand DICH nach drei Tagen der Verabreichung, während SICH seine Form bis zu sieben Tage lang beibehielt. Zusätzlich zur kontrollierten Abbaubarkeit waren beide ICHs hautverträglich.

Darüber hinaus bewertete das Team die Fähigkeit der ICHs, In-vivo-Elektromyographiesignale im Muskel und der Haut von Ratten aufzuzeichnen. Sowohl SICH als auch DICH sollen qualitativ hochwertige Signale aufgezeichnet und die Leistung herkömmlicher Metallelektroden übertroffen haben.

Die SICH-Aufzeichnungen konnten bis zu drei Wochen lang überwacht werden, wohingegen die DICH-Signale nach fünf Tagen vollständig verloren gingen. Diese Ergebnisse legen die Anwendbarkeit von SICH-Elektroden für die langfristige Signalüberwachung und die von DICH für den vorübergehenden Einsatz nahe, der keine chirurgische Entfernung erfordert.

„Die von uns entwickelten neuartigen graphenbasierten ICH-Elektroden zeichnen sich durch Merkmale wie hohe Signalempfindlichkeit, einfache Anwendung, minimale Invasivität und einstellbare Abbaubarkeit aus“, sagte Prof. Lee. „Insgesamt können diese Eigenschaften bei der Entwicklung fortschrittlicher Bioelektronik und funktioneller implantierbarer Bioelektroden für eine Vielzahl medizinischer Erkrankungen wie neuromuskuläre Erkrankungen und neurologische Störungen hilfreich sein.“