研究团队生产用于医疗应用的极导电水凝胶

由于其类似组织的机械性能,水凝胶越来越多地用于生物医学应用。一个众所周知的例子是软性隐形眼镜。这些凝胶状聚合物由 90% 的水组成,具有弹性且特别具有生物相容性。同样导电的水凝胶允许其他应用领域,例如在体内传输电信号或作为传感器。基尔大学 (CAU) 研究培训组 (RTG) 2154“大脑材料”的跨学科研究团队现已开发出一种生产具有优异导电性水平的水凝胶的方法。这种方法的特殊之处在于,水凝胶的机械性能在很大程度上得以保留。通过这种方式,它们可能特别适合,例如,作为医疗功能植入物的材料,用于治疗某些脑部疾病。该小组的研究结果于 2021 年 3 月 16 日发表在著名期刊上纳米字母。

“水凝胶的弹性可以适应体内各种类型的组织,甚至适应脑组织的一致性。这就是我们对这些水凝胶作为植入材料特别感兴趣的原因,”材料科学家 Margarethe Hauck 解释说,他是一名博士研究员。 RTG 2154 和该研究的主要作者之一。因此,材料和医学科学家的跨学科合作专注于开发用于植入物的新材料,例如用于释放活性物质以治疗癫痫、肿瘤或动脉瘤等脑部疾病。导电水凝胶可用于控制活性物质的释放,从而以更有针对性的方式局部治疗某些疾病。

为了生产导电水凝胶,传统的水凝胶通常与由金属或碳制成的导电纳米材料混合,例如金纳米线、石墨烯或碳纳米管。为了实现良好的导电性,通常需要高浓度的纳米材料。然而,这会改变水凝胶的原始机械性能,例如它们的弹性,从而影响它们与周围细胞的相互作用。“细胞对环境的性质特别敏感。他们对周围的材料感到最舒服,这些材料的特性尽可能地与体内的自然环境相符,”材料科学研究所的博士研究员 Christine Arndt 解释说。基尔大学,也是该研究的主要作者。

通过与各个工作组的密切合作,研究团队现在能够开发出一种具有理想组合的水凝胶:它不仅具有导电性,而且还保留了其原有的弹性水平。对于导电性,科学家们使用了石墨烯,这种材料已经用于其他生产方法。“石墨烯具有出色的电气和机械性能,而且非常轻,”研究培训组的初级组长 Fabian Schütt 博士说,从而强调了超薄材料的优势,它仅由一层碳原子组成. 这种新方法的不同之处在于石墨烯的使用量。“我们使用的石墨烯比以前的研究少得多,因此,水凝胶的关键特性得以保留,”

为了实现这一目标,科学家们用石墨烯薄片薄薄地涂覆了陶瓷微粒的精细框架结构。然后他们添加了水凝胶聚丙烯酰胺,它包围了框架结构,最终被蚀刻掉了。水凝胶中的薄石墨烯涂层不受此过程的影响。整个水凝胶现在都带有石墨烯涂层的微通道,类似于人工神经系统。

Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) 的特殊 3D 图像展示了通道系统的高电导率:“由于各个石墨烯管之间的大量连接,电信号总是能通过材料找到通道,并使其非常可靠, ” HZG 成像和数据科学系主任、RTG 准成员 Berit Zeller-Plumhoff 博士说。在高强度 X 射线的帮助下,数学家在短时间内在 HZG 操作的成像光束线上拍摄了图像,该光束线位于德国电子同步加速器 DESY 的存储环 PETRA III 上。三维网络还有另一个优势:它的可伸缩性使其能够相对灵活地适应环境。

“通过不同工作组之间的合作,RTG 为需要跨学科方法的生物医学研究问题提供了理想的条件,”RTG 的第一位发言人、现任海德堡大学分子系统工程教授 Christine Selhuber-Unkel 说。“这是一个复杂的研究领域,因为它结合了材料科学和医学,并且在未来几年可能会进一步发展,而国内和国际对合格专家的需求将会增加——这就是我们想要准备我们的博士她的继任者、基尔大学功能纳米材料教授、自 2020 年以来 RTG 的发言人雷纳·阿德隆 (Rainer Adelung) 补充道。

未来,新型导电水凝胶的各种其他应用是可能的:Margarethe Hauck 计划开发一种水凝胶,它可以对温度的微小变化做出反应,并可以以受控方式在大脑中释放活性物质。Christine Arndt 正在研究如何将导电水凝胶用作生物混合机器人。细胞对其环境施加的力可用于驱动小型化机器人系统。

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