Идеальный материал для взаимодействия электроники с живыми тканями – мягкий, растяжимый, влаголюбивый, как и сама ткань, то есть гидрогель. С другой стороны, полупроводники – ключевые материалы для биоэлектроники, такой как кардиостимуляторы, биосенсоры и устройства для доставки лекарств, – жесткие, хрупкие и ненавидящие воду, их невозможно растворить так, как это традиционно делают с гидрогелями.
Опубликованная в журнале Science работа сотрудников Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Университета Чикаго позволила решить проблему, которая долгое время ставила исследователей в тупик, переосмыслив процесс создания гидрогелей и создав мощный полупроводник в форме гидрогеля. Исследовательская группа под руководством доцента Сихонга Ванга создала голубоватый гель, который колеблется в воде, как медуза, но сохраняет полупроводниковую способность, необходимую для передачи информации между живой тканью и машиной.
Материал продемонстрировал модуль упругости на уровне ткани, равный 81 кПа, растяжимость при деформации 150% и подвижность носителей заряда до 1,4 см2 В-1 с-1. Это означает, что материал – и полупроводник, и гидрогель одновременно – отвечает всем требованиям идеального биоэлектронного интерфейса.
«При создании имплантируемых биоэлектронных устройств необходимо решить одну задачу – создать устройство с механическими свойствами, подобными тканям», – говорит Яхао Дай, первый автор статьи. «Таким образом, при непосредственном взаимодействии с тканью они смогут деформироваться вместе и сформировать очень плотный биоинтерфейс».
Несмотря на то, что работа в основном посвящена проблемам, с которыми сталкиваются имплантируемые медицинские устройства, такие как биохимические датчики и кардиостимуляторы, Дай говорит, что материал также имеет множество потенциальных нехирургических применений, таких как улучшение считывания информации с кожи или усовершенствование ухода за ранами.
«Гидрогель обладает очень мягкими механическими свойствами и высокой степенью гидратации, подобно живой ткани», – говорит доцент кафедры ПМЭ Университета Чикаго Сихонг Ванг. Гидрогель также очень пористый, что позволяет эффективно переносить различные питательные и химические вещества. Все эти свойства в совокупности делают гидрогель самым полезным материалом для тканевой инженерии и доставки лекарств.
Типичный способ создания гидрогеля – взять материал, растворить его в воде и добавить химические вещества для гелеобразования, чтобы новая жидкость превратилась в гель. Некоторые материалы просто растворяются в воде, другие требуют от исследователей вмешательства и химической модификации процесса, но основной механизм один: нет воды – нет гидрогеля.
Полупроводники обычно не растворяются в воде. Вместо того чтобы искать трудоемкие способы форсировать процесс, команда UChicago PME переосмыслила вопрос. «Мы начали размышлять, как изменить нашу точку зрения, и придумали процесс обмена растворителями», – говорит Дай.
Вместо того чтобы растворять полупроводники в воде, ученые сделали это в органическом растворителе, который смешивается с водой. Затем был приготовлен гель из полученных полупроводников и предшественников гидрогеля. Изначально гель был органогелем. «Чтобы превратить его в гидрогель, мы погрузили всю систему материалов в воду, чтобы органический растворитель исчез, а вода проникла внутрь», – говорит Дай.
Важным преимуществом такого метода является его широкая применимость к многим типам полимерных полупроводников с разными функциями.
Гидрогелевый полупроводник, который команда запатентовала, не является слиянием полупроводника и гидрогеля. Это один материал, который одновременно является и полупроводником, и гидрогелем. Однако, в отличие от любого другого гидрогеля, новый материал фактически улучшил биологические функции в двух областях, создав лучшие результаты, чем гидрогель или полупроводник могли бы достичь сами по себе.
Во-первых, соединение очень мягкого материала непосредственно с тканями снижает иммунные реакции и воспаления, которые обычно возникают при имплантации медицинских устройств.
Во-вторых, поскольку гидрогели настолько пористые, новый материал позволяет повысить чувствительность биосенсора и усилить эффект фотомодуляции. Благодаря тому, что биомолекулы могут диффундировать в пленку и вступать в объемное взаимодействие, значительно увеличивается количество мест взаимодействия с биомаркерами, что приводит к повышению чувствительности. Помимо зондирования, реакция на свет для терапевтических функций на тканевых поверхностях также повышается благодаря более эффективному переносу окислительно-восстановительных веществ. Это благоприятно сказывается на кардиостимуляторах со световым управлением или повязках для ран, которые можно более эффективно нагревать с помощью света, чтобы ускорить заживление.
[Фото: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich]
