Nowy półprzewodnik hydrożelowy firmy[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>University of Chicago offers a groundbreaking solution for bioelectronics, blending tissue-like properties with high electronic functionality, enhancing medical device integration and effectiveness.
The perfect material for interfacing electronics with living tissue is soft, stretchable, and as water-loving as the tissue itself, making hydrogels an ideal choice. In contrast, semiconductors, the key materials for bioelectronics such as pacemakers, biosensors, and drug delivery devices, are rigid, brittle, and hydrophobic, making them impossible to dissolve in the way hydrogels have traditionally been built.
Breakthrough in Bioelectronics
In a new study published in Science, scientists from the University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering have overcome this long-standing barrier by innovating the way hydrogels are created to build a powerful semiconductor in hydrogel form. Led by Asst. Prof. Sihong Wang’s research group, the result is a bluish gel that undulates in water like a jellyfish yet maintains the immense semiconductive ability required to transmit information between living tissue and electronic devices.
Properties and Applications of the New Material
The material demonstrated tissue-level moduli as soft as 81 kPa, stretchability of 150% strain, and charge-carrier mobility up to 1.4 cm2 V-1 s-1. This means their material—both semiconductor and hydrogel at the same time—ticks all the boxes for an ideal bioelectronic interface.
“When making implantable bioelectronic devices, one challenge you must address is to make a device with tissue-like mechanical properties,” said Yahao Dai, the first author of the new paper. “That way, when it gets directly interfaced with the tissue, they can deform together and also form a very intimate bio-interface.”
Although the paper mainly focused on the challenges facing implanted medical devices such as biochemical sensors and pacemakers, Dai said the material also has many potential non-surgical applications, like better readings of the skin or improved care for wounds.
“It has very soft mechanical properties and a large degree of hydration similar to living tissue,” said UChicago PME Asst. Prof. Sihong Wang. “Hydrogel is also very porous, so it allows the efficient diffusion transport of different kinds of nutrition and chemicals. All these traits combine to make hydrogel probably the most useful material for tissue engineering and drug delivery.”
Innowacyjna technika produkcji
Typowym sposobem wytwarzania hydrożelu jest pobranie materiału, rozpuszczenie go w wodzie i dodanie środków chemicznych żelujących w celu nadmuchania nowej cieczy do postaci żelu. Niektóre materiały po prostu rozpuszczają się w wodzie, a inne wymagają od badaczy majsterkowania i chemicznej modyfikacji procesu, ale podstawowy mechanizm jest taki sam: bez wody, bez hydrożelu.
Jednak półprzewodniki zwykle nie rozpuszczają się w wodzie. Zamiast szukać nowych, czasochłonnych sposobów wymuszenia tego procesu, zespół UChicago PME ponownie zbadał tę kwestię.
„Zaczęliśmy myśleć: «OK, zmieńmy naszą perspektywę» i opracowaliśmy proces wymiany rozpuszczalnika” – powiedział Dai.
Zamiast rozpuszczać półprzewodniki w wodzie, rozpuścili je w rozpuszczalniku organicznym mieszającym się z wodą. Następnie przygotowali żel z rozpuszczonych półprzewodników i prekursorów hydrożelu. Ich żel początkowo był organożelem, a nie hydrożelem.
„Aby ostatecznie przekształcić go w hydrożel, zanurzyliśmy następnie cały system materiałów w wodzie, aby rozpuszczalnik organiczny rozpuścił się i wpuściła wodę” – powiedział Dai.
Ważną zaletą takiej metody opartej na wymianie rozpuszczalnika jest jej szerokie zastosowanie do różnych typów półprzewodników polimerowych o różnych funkcjach.
Łączenie zalet półprzewodników i hydrożelu
Półprzewodnik hydrożelowy, który zespół opatentował i który jest wprowadzany na rynek za pośrednictwem UChicago’s Polskie Centrum Przedsiębiorczości i Innowacji, nie polega na łączeniu półprzewodnika z hydrożelem. To jeden materiał, który jest jednocześnie półprzewodnikiem i hydrożelem.
„To tylko jeden element, który ma zarówno właściwości półprzewodnikowe, jak i konstrukcję hydrożelową, co oznacza, że cały ten element jest taki sam jak każdy inny hydrożel” – powiedział Wang.
Jednak w przeciwieństwie do innych hydrożeli nowy materiał faktycznie poprawił funkcje biologiczne w dwóch obszarach, dając lepsze wyniki, niż byłby w stanie osiągnąć sam hydrożel lub półprzewodnik.
Po pierwsze, bardzo miękkie połączenie materiału bezpośrednio z tkanką zmniejsza reakcję immunologiczną i stan zapalny zwykle wywoływany podczas wszczepiania urządzenia medycznego.
Po drugie, ponieważ hydrożele są tak porowate, nowy materiał umożliwia lepszą reakcję biodetekcyjną i silniejsze efekty fotomodulacyjne. Ponieważ biomolekuły mogą dyfundować do błony, powodując interakcje objętościowe, miejsca interakcji dla niewykrywalnych biomarkerów są znacznie zwiększone, co skutkuje wyższą czułością. Oprócz wykrywania, reakcje na światło pełniące funkcje terapeutyczne na powierzchni tkanek również wzrosły w wyniku bardziej wydajnego transportu substancji redoks gatunek. Korzystają z tego funkcje takie jak rozruszniki serca sterowane światłem lub opatrunek na ranę, który można skuteczniej podgrzać jednym ruchem światła, aby przyspieszyć gojenie.
„To kombinacja typu „jeden plus jeden jest większy niż dwa”” – zażartował Wang.
Odniesienie: „Miękkie półprzewodniki hydrożelowe o ulepszonych funkcjach biointeraktywnych” autorstwa Yahao Dai, Shinya Wai, Pengju Li, Naisong Shan, Zhiqiang Cao, Yang Li, Yunfei Wang, Youdi Liu, Wei Liu, Kan Tang, Yuzi Liu, Muchuan Hua, Songsong Li , Nan Li, Shivani Chatterji, H. Christopher Fry, Sean Lee, Cheng Zhang, Max Weires, Sean Sutyak, Jiuyun Shi, Chenhui Zhu, Jie Xu, Xiaodan Gu, Bozhi Tian i Sihong Wang, 24 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp9314
Finansowanie: Praca ta była wspierana przez Stany Zjednoczone Narodowe Instytuty Zdrowia Nagroda dyrektora New Innovator Award (1DP2EB034563) i Amerykańskie Biuro Badań Marynarki Wojennej (N00014-21-1-2266). Praca ta została częściowo wsparta przez fundusz start-up z Uniwersytetu w Chicago.
