A causa delle loro proprietà meccaniche simili ai tessuti, gli idrogel sono sempre più utilizzati per applicazioni biomediche; un esempio ben noto sono le lenti a contatto morbide. Questi polimeri gelatinosi sono costituiti per il 90% da acqua, sono elastici e particolarmente biocompatibili. Gli idrogel che sono anche elettricamente conduttivi consentono ulteriori campi di applicazione, ad esempio nella trasmissione di segnali elettrici nel corpo o come sensori. Un team di ricerca interdisciplinare del Research Training Group (RTG) 2154 "Materials for Brain" dell'Università di Kiel (CAU) ha ora sviluppato un metodo per produrre idrogel con un eccellente livello di conduttività elettrica. Ciò che rende speciale questo metodo è che le proprietà meccaniche degli idrogel sono ampiamente mantenute. In questo modo potrebbero essere particolarmente adatti, Per esempio, come materiale per impianti medici funzionali, che sono usati per trattare alcune malattie del cervello. I risultati del gruppo sono stati pubblicati il ​​16 marzo 2021 sulla prestigiosa rivista Nano lettere .

"L'elasticità degli idrogel può essere adattata a vari tipi di tessuto nel corpo e persino alla consistenza del tessuto cerebrale. Ecco perché siamo particolarmente interessati a questi idrogel come materiali per impianti, " spiega la scienziata dei materiali Margarethe Hauck, un ricercatore di dottorato in RTG 2154 e uno degli autori principali dello studio. Come tale, la collaborazione interdisciplinare di materiali e scienziati medici si concentra sullo sviluppo di nuovi materiali per impianti, ad esempio per il rilascio di sostanze attive per il trattamento di malattie cerebrali come l'epilessia, tumori o aneurismi. Gli idrogel conduttivi potrebbero essere utilizzati per controllare il rilascio di sostanze attive al fine di trattare determinate malattie localmente in modo più mirato.

Per produrre idrogel elettricamente conduttivi, gli idrogel convenzionali sono solitamente mescolati con nanomateriali conduttori di corrente fatti di metalli o carbonio, come i nanofili d'oro, grafene o nanotubi di carbonio. Per ottenere un buon livello di conducibilità, spesso è richiesta un'elevata concentrazione di nanomateriali. Però, questo altera le proprietà meccaniche originali degli idrogel, come la loro elasticità, e quindi influisce sulla loro interazione con le cellule circostanti. "Le cellule sono particolarmente sensibili alla natura del loro ambiente. Si sentono più a loro agio con i materiali che le circondano le cui proprietà corrispondono il più possibile al loro ambiente naturale nel corpo, " spiega Christine Arndt, un ricercatore di dottorato presso l'Istituto per la scienza dei materiali presso l'Università di Kiel e anche autore principale dello studio.

Il metodo di produzione richiede meno grafene rispetto agli approcci precedenti

In stretta collaborazione con diversi gruppi di lavoro, il team di ricerca è stato ora in grado di sviluppare un idrogel che vanta una combinazione ideale:non è solo elettricamente conduttivo, ma conserva anche il suo livello di elasticità originale. Per la conducibilità, gli scienziati hanno usato il grafene, un materiale che è già stato utilizzato in altri approcci produttivi. "Il grafene ha proprietà elettriche e meccaniche eccezionali ed è anche molto leggero, " dice il dottor Fabian Schütt, capogruppo junior nel Gruppo Formazione Ricerca, sottolineando così i vantaggi del materiale ultrasottile, che consiste di un solo strato di atomi di carbonio. Ciò che rende diverso questo nuovo metodo è la quantità di grafene utilizzata. "Stiamo usando molto meno grafene rispetto a studi precedenti, e come risultato, le proprietà chiave dell'idrogel vengono mantenute, " dice Schütt a proposito dello studio in corso, che ha avviato.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati hanno rivestito uno strato sottile di microparticelle di ceramica con scaglie di grafene. Poi hanno aggiunto l'idrogel poliacrilammide, che racchiudeva la struttura del quadro, che è stato finalmente inciso via. Il sottile rivestimento di grafene nell'idrogel rimane inalterato da questo processo. L'intero idrogel è ora striato con microcanali rivestiti di grafene, simile a un sistema nervoso artificiale.

Speciali immagini 3D dell'Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) dimostrano la conduttività altamente elettronica del sistema di canali:"A causa di una moltitudine di connessioni tra i singoli tubi di grafene, i segnali elettrici si fanno sempre strada attraverso il materiale e lo rendono estremamente affidabile, "dice il dottor Berit Zeller-Plumhoff, Capo del Dipartimento di Imaging e Data Science presso HZG e membro associato della RTG. Con l'aiuto di raggi X ad alta intensità, il matematico ha preso le immagini in un breve lasso di tempo alla linea di luce di imaging gestita dall'HZG presso l'anello di stoccaggio PETRA III presso il Deutsche Elektronensynchrotron DESY. E la rete tridimensionale ha un altro vantaggio:la sua elasticità le consente di adattarsi in modo relativamente flessibile al suo ambiente.

Ulteriori campi di applicazione in biomedicina e robotica morbida

"Con le collaborazioni tra diversi gruppi di lavoro, la RTG offre le condizioni ideali per le questioni di ricerca biomedica che richiedono un approccio interdisciplinare, "dice Christine Selhuber-Unkel, primo portavoce della RTG e ora professore di ingegneria dei sistemi molecolari all'Università di Heidelberg. "Questo è un campo di ricerca complesso in quanto combina sia la scienza dei materiali che la medicina ed è probabile che si svilupperà ulteriormente enormemente nei prossimi anni, mentre aumenterà la domanda nazionale e internazionale di specialisti qualificati - ed è questo a cui vogliamo preparare nel miglior modo possibile i nostri ricercatori di dottorato, " aggiunge il suo successore Rainer Adelung, Professore di Nanomateriali Funzionali alla Kiel University e portavoce di RTG dal 2020.

Nel futuro, sono possibili diverse applicazioni aggiuntive del nuovo idrogel conduttivo:Margarethe Hauck prevede di sviluppare un idrogel che reagisce a piccoli cambiamenti di temperatura e potrebbe rilasciare sostanze attive nel cervello in modo controllato. Christine Arndt sta lavorando su come gli idrogel elettricamente conduttivi possono essere usati come robot bioibridi. La forza che le cellule esercitano sul loro ambiente potrebbe essere utilizzata qui per guidare sistemi robotici miniaturizzati.