3D-gedruckte leitende Polymer-Hydrogele ermöglichen implantierbare Bioelektronik

Implantierbare Bioelektronik kann verschiedene medizinische Zustände durch Schnittstellen mit biologischem Gewebe behandeln. Herkömmliche starre Elektronik schädigt oft Gewebe und versagt aufgrund mechanischer Unterschiede. Forschende untersuchen weiche, flexible Bioelektronik, wobei Hydrogele wegen ihrer gewebsähnlichen Eigenschaften vielversprechend sind. Aktuelle Arbeiten von chinesischen Forschenden haben 3D-druckbare leitfähige Polymer-Hydrogele entwickelt, die das Feld erheblich voranbringen.

In der Studie, veröffentlicht in Advanced Functional Materials, wird eine Methode zur Formulierung von Tinten für das Direct Ink Writing (DIW), ein extrusionsbasiertes 3D-Druckverfahren beschrieben. Durch die Anpassung chemischer Komponenten wie Polyvinylalkohol (PVA), Chitosan (CTS) und einem synthetischen Copolymer aus Poly(acrylsäure-co-acrylsäure-N-hydroxysuccinimidester (PAA-NHS) entwickelten die Forschenden Tinten für die verschiedenen Schichten der Hydrogel-Bioelektronik.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Hydrogel-Bioelektronik ist ihre Fähigkeit, sofort und fest an verschiedenen biologischen Geweben wie Haut, Herz, Blutgefäßen und Nerven zu haften. Diese Haftung wird durch einen trockenen Vernetzungsmechanismus erreicht, bei dem kovalente Bindungen, Wasserstoffbrücken und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen dem Hydrogel und den Gewebeoberflächen entstehen. Diese starke Bioadhäsion ist entscheidend, um eine nahtlose und stabile Verbindung während der dynamischen Bewegungen lebender Gewebe, wie dem Herzschlag, sicherzustellen.

Das Team testete die Wirksamkeit ihrer 3D-gedruckten Hydrogel-Bioelektronik in elektrophysiologischen Studien an Rattenherzen. Die Bioelektronik passte sich hervorragend an die Oberfläche des schlagenden Herzens an, ohne den natürlichen Rhythmus zu stören. Die Geräte ermöglichten eine präzise Kartierung der epikardialen elektrophysiologischen Signale und identifizierten erfolgreich Anomalien im Zusammenhang mit Herzrhythmusstörungen und Herzinfarkten. Zusätzlich konnten die Hydrogel-Bioelektronikgeräte elektrische Stimulationen abgeben, um den normalen Herzrhythmus wiederherzustellen.

Die Möglichkeit, leitfähige Polymerhydrogele mit maßgeschneiderten mechanischen, elektrischen und adhäsiven Eigenschaften im 3D-Druckverfahren herzustellen, eröffnet spannende Perspektiven für eine Vielzahl implantierbarer bioelektronischer Geräte. Diese könnten neuronale Schnittstellen für die Gehirn-Maschine-Kommunikation, Magenstimulatoren zur Behandlung von Verdauungsstörungen und Blasensensoren zur Inkontinenzbewältigung umfassen.

Obwohl die Fortschritte in diesem Bereich vielversprechend sind, bleiben noch einige Herausforderungen. Die langfristige Biokompatibilität muss gewährleistet sein, um negative Immunreaktionen zu vermeiden. Auch die Skalierbarkeit des Herstellungsprozesses stellt eine Herausforderung dar, da die Produktion dieser Geräte in kommerziellem Maßstab Konsistenz und Effizienz erfordert. Schließlich müssen regulatorische Hürden überwunden werden, um die strengen Sicherheits- und Wirksamkeitsstandards der Gesundheitsbehörden zu erfüllen.

Mehr Details findet man in der wissenschaftlichen Arbeit „3D Printed Implantable Hydrogel Bioelectronics for Electrophysiological Monitoring and Electrical Modulation“.