Forscher entwickeln injizierbare Bioelektroden mit einstellbarer Lebensdauer

Implantierbare Bioelektroden sind elektronische Geräte, die biologische Aktivitäten überwachen oder stimulieren können, indem sie Signale an und von lebenden biologischen Systemen übertragen. Solche Geräte können unter Verwendung verschiedener Materialien und Techniken hergestellt werden. Aufgrund ihres engen Kontakts und ihrer Wechselwirkungen mit lebendem Gewebe ist die Auswahl des richtigen Materials hinsichtlich Leistung und Biokompatibilität jedoch von entscheidender Bedeutung. In jüngster Zeit haben leitfähige Hydrogele aufgrund ihrer Flexibilität, Kompatibilität und hervorragenden Wechselwirkungsfähigkeit große Aufmerksamkeit als Bioelektrodenmaterialien auf sich gezogen.

Das Fehlen der Injizierbarkeit und Abbaubarkeit herkömmlicher leitfähiger Hydrogele schränkt jedoch deren Benutzerfreundlichkeit und Leistung in biologischen Systemen ein.

Vor diesem Hintergrund haben Forscher aus Korea nun leitfähige Hydrogele auf Graphenbasis entwickelt, die über Injektionsfähigkeit und einstellbare Abbaubarkeit verfügen und so das Design und die Entwicklung fortschrittlicher Bioelektroden vorantreiben. Die Studie wurde von Professor Jae Young Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) geleitet und in veröffentlicht Klein.

Zur Begründung ihrer Studie sagt Prof. Lee: „Herkömmliche implantierbare Elektroden verursachen häufig mehrere Probleme, wie zum Beispiel große Einschnitte für die Implantation und unkontrollierte Stabilität im Körper. Im Gegensatz dazu ermöglichen leitfähige Hydrogelmaterialien eine minimalinvasive Verabreichung und Kontrolle über die Funktion der Bioelektrode.“ In-vivo-Lebensdauer und sind daher äußerst erwünscht.“

Um die injizierbaren leitfähigen Hydrogele (ICHs) zu synthetisieren, verwendeten die Forscher aufgrund seiner großen Oberfläche und hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften Thiol-funktionalisiertes reduziertes Graphenoxid (F-rGO) als leitfähige Komponente.

Sie wählten mit Dimaleimid (PEG-2Mal) und Diacrylat (PEG-2Ac) funktionalisiertes Polyethylenglykol als Präpolymere, um die Entwicklung stabiler bzw. hydrolysierbarer ICHs zu erleichtern. Diese Präpolymere wurden dann Thiol-En-Reaktionen mit Poly(ethylenglykol)tetrathiol (PEG-4SH) und F-rGO unterzogen.

Mit PEG-2Ac hergestellte ICHs waren abbaubar (DICH), während diejenigen mit PEG-2Mal stabil waren (SICH). Die Forscher fanden heraus, dass die neuartigen ICHs verschiedene bestehende übertrafen, indem sie sich extrem gut an Gewebe binden und die höchsten Signale aufzeichnen. Unter In-vitro-Bedingungen (außerhalb eines lebenden Organismus) wurde SICH einen Monat lang nicht abgebaut, während DICH ab dem dritten Tag einen allmählichen Abbau zeigte.

Bei der Implantation auf die Haut von Mäusen verschwand DICH nach drei Tagen der Verabreichung, während SICH seine Form bis zu sieben Tage lang beibehielt. Zusätzlich zur kontrollierten Abbaubarkeit waren beide ICHs hautverträglich.

Darüber hinaus bewertete das Team die Fähigkeit der ICHs, In-vivo-Elektromyographiesignale im Muskel und der Haut von Ratten aufzuzeichnen. Sowohl SICH als auch DICH zeichneten qualitativ hochwertige Signale auf und übertrafen die Leistung herkömmlicher Metallelektroden. Die SICH-Aufzeichnungen konnten bis zu drei Wochen lang überwacht werden, wohingegen die DICH-Signale nach fünf Tagen vollständig verloren gingen. Diese Ergebnisse legen die Anwendbarkeit von SICH-Elektroden für die langfristige Signalüberwachung und die von DICH für den vorübergehenden Einsatz nahe, der keine chirurgische Entfernung erfordert.

Prof. Lee fasst diese Ergebnisse zusammen: „Die von uns entwickelten neuartigen graphenbasierten ICH-Elektroden weisen Merkmale wie hohe Signalempfindlichkeit, einfache Verwendung, minimale Invasivität und einstellbare Abbaubarkeit auf. Insgesamt können diese Eigenschaften bei der Entwicklung fortschrittlicher Bioelektronik hilfreich sein.“ und funktionelle implantierbare Bioelektroden für eine Vielzahl medizinischer Erkrankungen, wie zum Beispiel neuromuskuläre Erkrankungen und neurologische Störungen.“