Wenn Sie eine Bildsuche nach „elektronischen Implantaten“ durchführen, werden Sie eine große Auswahl an Geräten finden, von herkömmlichen Herzschrittmachern und Cochlea-Implantaten bis hin zu futuristischeren Gehirn- und Netzhaut-Mikrochips, die darauf abzielen, das Sehvermögen zu verbessern, Depressionen zu behandeln und die Mobilität wiederherzustellen.
Einige Implantate sind hart und voluminös, während andere flexibel und dünn sind. Doch unabhängig von ihrer Form und Funktion enthalten fast alle Implantate Elektroden – kleine leitfähige Elemente, die direkt am Zielgewebe befestigt werden, um Muskeln und Nerven elektrisch zu stimulieren.
Implantierbare Elektroden bestehen überwiegend aus starren Metallen, die von Natur aus elektrisch leitend sind. Doch im Laufe der Zeit können Metalle das Gewebe angreifen und Narben und Entzündungen verursachen, die wiederum die Leistung eines Implantats beeinträchtigen können.
Jetzt haben MIT-Ingenieure ein metallfreies, geleeartiges Material entwickelt, das so weich und zäh wie biologisches Gewebe ist und Elektrizität ähnlich wie herkömmliche Metalle leiten kann. Das Material kann zu einer druckbaren Tinte verarbeitet werden, aus der die Forscher flexible, gummiartige Elektroden formen. Das neue Material, eine Art hochleistungsleitendes Polymerhydrogel, könnte eines Tages Metalle als funktionelle, gelbasierte Elektroden ersetzen und das Aussehen und die Haptik von biologischem Gewebe haben.
„Dieses Material funktioniert genauso wie Metallelektroden, besteht jedoch aus Gelen, die unserem Körper ähneln und einen ähnlichen Wassergehalt haben“, sagt Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, Mitbegründer von SanaHeal, einem Startup für medizinische Geräte. „Es ist wie ein künstliches Gewebe oder ein künstlicher Nerv.“
„Wir glauben, dass wir zum ersten Mal eine robuste, robuste, Wackelpudding-ähnliche Elektrode haben, die möglicherweise Metall ersetzen kann, um Nerven zu stimulieren und mit Herz, Gehirn und anderen Organen im Körper in Kontakt zu treten“, fügt Xuanhe Zhao hinzu. Professor für Maschinenbau sowie Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT.
Zhao, Yuk und andere am MIT und anderswo berichten über ihre Ergebnisse in Naturmaterialien. Zu den Co-Autoren der Studie gehören der Erstautor und ehemalige MIT-Postdoc Tao Zhou, der jetzt Assistenzprofessor an der Penn State University ist, sowie Kollegen von der Jiangxi Science and Technology Normal University und der Shanghai Jiao Tong University.
Eine echte Herausforderung
Die überwiegende Mehrheit der Polymere ist von Natur aus isolierend, was bedeutet, dass Elektrizität nicht leicht durch sie hindurchdringt. Es gibt jedoch eine kleine und besondere Klasse von Polymeren, die tatsächlich Elektronen durch ihre Masse leiten können. In den 1970er Jahren wurde erstmals gezeigt, dass einige leitfähige Polymere eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen – eine Arbeit, die später mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde.
Kürzlich haben Forscher, darunter auch diejenigen in Zhaos Labor, versucht, mithilfe leitfähiger Polymere weiche, metallfreie Elektroden für den Einsatz in bioelektronischen Implantaten und anderen medizinischen Geräten herzustellen. Diese Bemühungen zielten darauf ab, weiche, aber dennoch robuste, elektrisch leitfähige Filme und Pflaster herzustellen, hauptsächlich durch Mischen von Partikeln aus leitfähigen Polymeren mit Hydrogel – einer Art weichem und schwammigem, wasserreichem Polymer.
Die Forscher hofften, dass die Kombination aus leitfähigem Polymer und Hydrogel ein flexibles, biokompatibles und elektrisch leitfähiges Gel ergeben würde. Doch die bisher hergestellten Materialien waren entweder zu schwach und spröde oder sie zeigten eine schlechte elektrische Leistung.
„In Gelmaterialien stehen die elektrischen und mechanischen Eigenschaften immer im Widerspruch zueinander“, sagt Yuk. „Wenn man die elektrischen Eigenschaften eines Gels verbessert, muss man Abstriche bei den mechanischen Eigenschaften machen und umgekehrt. Aber in Wirklichkeit brauchen wir beides: Ein Material sollte leitfähig sein, aber auch dehnbar und robust. Das war die wahre Herausforderung und der Grund, warum Menschen konnte leitfähige Polymere nicht zu zuverlässigen Geräten machen, die vollständig aus Gel bestehen.“
Elektrische Spaghetti
In ihrer neuen Studie stellten Yuk und seine Kollegen fest, dass sie ein neues Rezept brauchten, um leitfähige Polymere mit Hydrogelen so zu mischen, dass sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen Inhaltsstoffe verbessert wurden.
„Früher verließ man sich auf eine homogene, zufällige Mischung der beiden Materialien“, sagt Yuk.
Solche Mischungen erzeugten Gele aus zufällig verteilten Polymerpartikeln. Die Gruppe erkannte, dass zur Erhaltung der elektrischen und mechanischen Festigkeit des leitfähigen Polymers bzw. des Hydrogels beide Bestandteile so gemischt werden sollten, dass sie sich leicht abstoßen – ein Zustand, der als Phasentrennung bekannt ist. In diesem leicht getrennten Zustand könnte jeder Inhaltsstoff dann seine jeweiligen Polymere zu langen, mikroskopisch kleinen Strängen verbinden und sich gleichzeitig als Ganzes vermischen.
„Stellen Sie sich vor, wir machen elektrische und mechanische Spaghetti“, bietet Zhao an. „Die elektrischen Spaghetti sind das leitfähige Polymer, das nun Elektrizität durch das Material übertragen kann, weil es kontinuierlich ist. Und die mechanischen Spaghetti sind das Hydrogel, das mechanische Kräfte übertragen kann und robust und dehnbar ist, weil es auch kontinuierlich ist.“
Anschließend optimierten die Forscher das Rezept, um das spaghettierte Gel zu einer Tinte zu kochen, die sie durch einen 3D-Drucker führten und auf Filme aus reinem Hydrogel in Mustern druckten, die denen herkömmlicher Metallelektroden ähnelten.
„Da dieses Gel 3D-druckbar ist, können wir Geometrien und Formen anpassen, was die Herstellung elektrischer Schnittstellen für alle Arten von Organen erleichtert“, sagt Erstautor Zhou.
Anschließend implantierten die Forscher die gedruckten, Jell-O-ähnlichen Elektroden in das Herz, den Ischiasnerv und das Rückenmark von Ratten. Das Team testete die elektrische und mechanische Leistung der Elektroden bei den Tieren bis zu zwei Monate lang und stellte fest, dass die Geräte die ganze Zeit über stabil blieben und kaum Entzündungen oder Narben im umliegenden Gewebe aufwiesen. Die Elektroden waren auch in der Lage, elektrische Impulse vom Herzen an einen externen Monitor weiterzuleiten und kleine Impulse an den Ischiasnerv und das Rückenmark zu senden, was wiederum die motorische Aktivität in den zugehörigen Muskeln und Gliedmaßen stimulierte.
Für die Zukunft geht Yuk davon aus, dass das neue Material sofort für Menschen eingesetzt werden könnte, die sich von einer Herzoperation erholen.
„Diese Patienten benötigen einige Wochen elektrische Unterstützung, um einen Herzinfarkt als Nebenwirkung der Operation zu vermeiden“, sagt Yuk. „Also nähen Ärzte eine Metallelektrode auf die Oberfläche des Herzens und stimulieren es über Wochen hinweg. Möglicherweise ersetzen wir diese Metallelektroden durch unser Gel, um Komplikationen und Nebenwirkungen zu minimieren, die die Menschen derzeit einfach akzeptieren.“
Das Team arbeitet daran, die Lebensdauer und Leistung des Materials zu verlängern. Dann könnte das Gel als weiche elektrische Schnittstelle zwischen Organen und längerfristigen Implantaten, einschließlich Herzschrittmachern und Tiefenhirnstimulatoren, verwendet werden.
„Das Ziel unserer Gruppe ist es, Glas, Keramik und Metall im Inneren des Körpers durch etwas wie Jell-O zu ersetzen, damit es harmloser, aber leistungsfähiger und langlebiger ist“, sagt Zhao. „Das ist unsere Hoffnung.“
Diese Forschung wird teilweise von den National Institutes of Health unterstützt.
