Bioelektronik ist ein Forschungsgebiet, in dem Biologie und Elektronik zusammenwachsen. In der Medizin wird beispielsweise ein externer elektrischer Strom zur Heilung oder Überwachung von Erkrankungen des Nervensystems sowie zur In-situ-Überwachung von Biomarkern eingesetzt. Für diese Anwendungen werden Geräte aus leitfähigen Materialien verwendet.
Das bisher am häufigsten in Energie- und biomedizinischen Anwendungen verwendete leitfähige Polymer ist mit PSS dotiertes PEDOT, bekannt als PEDOT:PSS. Trotz seiner außergewöhnlichen Eigenschaften müssen noch neue leitfähige Materialien entwickelt werden, die einige seiner Einschränkungen, wie z. B. die Biokompatibilität, verbessern können.
Eine von der biomolekularen Nanotechnologiegruppe des CIC biomaGUNE durchgeführte Studie schlägt einen Mechanismus für die Dotierung von PEDOT unter Verwendung eines robusten gentechnisch veränderten Proteins (PEDOT:Protein) vor; Das Ergebnis ist ein Hybridmaterial mit ionischer und elektronischer Leitfähigkeit, das in einigen Fällen PEDOT:PSS sehr ähnlich ist. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Klein.
„Dies ist das erste Mal, dass ein manipuliertes Protein als Dotierstoff für ein leitfähiges Polymer verwendet wurde; die bisher verwendeten Dotierstoffe schränken die Integration in Zellen oder Gewebe ein und sind außerdem schwer zu modulieren“, erklärte Ikerbasque-Forschungsprofessor Aitziber L. Cortajarena leitender Forscher der Gruppe und wissenschaftlicher Direktor von CIC biomaGUNE.
Cortajarena wies darauf hin, dass es dieser Forschung gelungen sei, „bei der Entwicklung einer neuen Familie von Materialien, die biokompatibler, nachhaltiger und bietender sind, einen Schritt nach vorne zu machen, da diese manipulierten Proteine biokompatibel, biologisch abbaubar und nachhaltig sind und interessante Funktionen in zellulären Mechanismen bieten.“ einen viel höheren Grad an biologischer Integration aufgrund der Biokompatibilität der Proteine.“
Die Möglichkeit, „leitfähige Materialien, die Proteine umfassen, zu verwenden, verbessert deutlich die Schnittstelle und Biointegration zwischen dem leitfähigen Biomaterial und dem Gewebe oder den Zellen, in denen dieses Material positioniert ist“, fügte sie hinzu. Auch die Erzeugung druckbarer Tinten ist ihnen gelungen, so dass ihre elektroaktiven Eigenschaften auch nach dem Drucken erhalten bleiben.
Diese neue Materialfamilie ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung neuer Anwendungen oder neuer Anwendungen in der Bioelektronik. „Sie werden es ermöglichen, Einschränkungen zu überwinden, die aufgrund der Einfachheit der verfügbaren Materialien derzeit nicht angegangen werden können“, sagte CIC biomaGUNE-Forscher Antonio Dominguez-Alfaro.
Es wurde darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Anwendungen proportional zur Vorstellungskraft der Person ist, die diese Materialien entwickelt, es wurden jedoch einige potenzielle Anwendungen erwähnt. „Elektroden könnten für Gehirnimplantate verfügbar gemacht werden, die dabei helfen, Zittern aufgrund der Parkinson-Krankheit oder durch Epilepsie verursachte Anfälle zu kontrollieren. Sie könnten auch an Hautelektroden angebracht werden, die in tragbaren Geräten wie Uhren verwendet werden, die Vitalfunktionen wie die Herzfrequenz messen.“
Darüber hinaus besteht einer der großen Vorteile dieser Materialien darin, dass sie Biomoleküle wie beispielsweise Glukose erkennen könnten; Sie „könnten darauf ‚reagieren‘ und es beispielsweise durch Schweiß messen, was weniger invasiv ist als aktuelle Methoden.“ Schließlich könnten diese Materialien in Batterien verwendet werden, die biokompatibler und für den Kontakt mit dem Körper zugänglicher sind.
e-Prot, ein europäisches Projekt zur Entwicklung technischer leitfähiger Proteine
Diese Studie wurde im Rahmen des durchgeführt e-Prot Projekt, Teil des FET Open 2020-Programms (Future and Emerging Technologies) und geleitet von Professor Aitziber L. Cortajarena. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung einer technologischen Plattform für bioelektronische Systeme auf Basis von Proteinen und deren Fähigkeit, Elektrizität effizient zu leiten.
Beginnend mit der Herstellung proteinbasierter Leitstrukturen und Materialien wird also eine Alternative zu herkömmlichen Technologien der Elektronikindustrie angeboten.
Mehr Informationen:
Antonio Dominguez-Alfaro et al., Engineering Proteins for PEDOT Dispersions: A New Horizon for Highly Mixed Ionic-Electronic Biokompatible Conductive Materials, Klein (2023). DOI: 10.1002/small.202307536