Новый гидрогелевый полупроводник: ключ к созданию идеальных биоэлектронных интерфейсов

24.10.2024 23:08:00 | iXBT.com

Учёные из Чикагского университета разработали новый материал, который может стать идеальным соединителем электроники с живой тканью. Этот материал представляет собой гидрогель, который одновременно является полупроводником и обладает мягкими и растяжимыми свойствами, что делает его идеальным для биоэлектроники.

Гидрогель был разработан командой исследователей под руководством доцента Сихонга Вана в Школе молекулярной инженерии имени Притцкера (PME) Чикагского университета. Они разработали новый процесс, который позволяет создавать полупроводниковые материалы в форме гидрогеля.

Источник: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich

Новый материал обладает модулями на уровне тканей до 81 кПа, растяжимостью до 150% деформации и подвижностью носителей заряда до 1,4 см 2 В -1 с -1 . Это означает, что он отвечает всем требованиям идеального биоэлектронного интерфейса.

«При создании имплантируемых биоэлектронных устройств одна из проблем, которую вы должны решить, — это создание устройства с механическими свойствами, подобными свойствам ткани. Таким образом, когда оно напрямую взаимодействует с тканью, они могут деформироваться вместе и также формировать настоящий биоинтерфейс», — сказал Яхао Дай, первый автор новой статьи.

Материал имеет потенциальные нехирургические применения, таких как улучшение считывания показаний с кожи или улучшение ухода за ранами.

«Он обладает очень мягкими механическими свойствами и высокой степенью гидратации, подобной живой ткани. Гидрогель также очень пористый, поэтому он обеспечивает эффективную диффузионную транспортировку различных видов питательных веществ и химикатов. Все эти характеристики в совокупности делают гидрогель полезным материалом для тканевой инженерии и доставки лекарств», — сказал доцент Чикагского университета PME Сихонг Ван.

Команда PME из Чикагского университета разработала процесс создания гидрогеля, который включает в себя растворение полупроводников в органическом растворителе, который смешивается с водой. Затем они приготовили гель из растворённых полупроводников и прекурсоров гидрогеля. Их гель изначально был органогелем, а не гидрогелем.

«Чтобы в конечном итоге превратить его в гидрогель, мы погрузили всю систему в воду, чтобы органический растворитель растворился и впустил воду», — сказал Дай. Важным преимуществом такого метода, основанного на замене растворителя, является его широкая применимость к различным типам полимерных полупроводников с различными функциями.

Доцент Школы молекулярной инженерии им. Притцкера Чикагского университета Сихонг Ван (справа) и аспирант Яхао Дай, главный автор новой статьи, с разработанным гидрогелевым полупроводником. Источник: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich

Гидрогелевый полупроводник, который команда запатентовала и коммерциализирует через Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation Чикагского университета, не является слиянием полупроводника с гидрогелем. Это один материал, который одновременно является и полупроводником, и гидрогелем.

Однако в отличие от другого гидрогеля новый материал фактически улучшил биологические функции в двух областях, обеспечив лучшие результаты, чем могли бы обеспечить гидрогель или полупроводник по отдельности. Во-первых, наличие очень мягкого материала, непосредственно связанного с тканями, снижает иммунные реакции и воспаления, которые обычно возникают при имплантации медицинского устройства. Во-вторых, поскольку гидрогели пористые, новый материал обеспечивает повышенный биосенсорный отклик и более сильные эффекты фотомодуляции.

Поскольку биомолекулы способны диффундировать в плёнку для взаимодействий, участки взаимодействия для биомаркеров, значительно увеличиваются, что приводит к более высокой чувствительности. Помимо восприятия, реакции на свет для терапевтических функций на поверхности тканей также увеличиваются за счёт более эффективного транспорта окислительно-восстановительных видов. Это приносит пользу таким функциям, как работающие на свету кардиостимуляторы или повязки на раны, которые можно более эффективно нагревать с помощью света, чтобы ускорить заживление.

Подробнее