Ingenieurs ontwikkelen een zachte, printbare, metaalvrije elektrode

Ingenieurs hebben een metaalvrij materiaal ontwikkeld dat net zo zacht en taai is als biologisch weefsel en elektriciteit op dezelfde manier kan geleiden als conventionele metalen.

Het nieuwe materiaal, een soort geleidende polymeerhydrogel, kan op een dag metalen in de elektroden van elektronische implantaten vervangen, zoals pacemakers en cochleaire implantaten.

Er is een breed assortiment aan implantaten, van traditionele pacemakers en cochleaire implantaten tot meer futuristische microchips van de hersenen en het netvlies, gericht op het verbeteren van het gezichtsvermogen, het behandelen van depressies en het herstellen van mobiliteit.

Sommige implantaten zijn hard en groot, andere flexibel en dun. Maar ongeacht hun vorm en functie, bevatten bijna alle implantaten elektroden – kleine geleidende elementen die zich rechtstreeks hechten aan doelweefsels om spieren en zenuwen elektrisch te stimuleren.

Implanteerbare elektroden zijn voornamelijk gemaakt van stijve metalen die van nature elektrisch geleidend zijn. Maar na verloop van tijd kunnen metalen weefsels irriteren, waardoor littekens en ontstekingen ontstaan die vervolgens de prestaties van een implantaat kunnen verminderen.

Van het nieuwe materiaal kan een printbare inkt worden gemaakt, waarvan de onderzoekers flexibele, rubberachtige elektroden maakten. “Dit materiaal werkt als metalen elektroden, maar is gemaakt van gels die vergelijkbaar zijn met ons lichaam, en met een vergelijkbaar watergehalte”, zegt Hyunwoo Yuk, mede-oprichter van SanaHeal, een startup voor medische hulpmiddelen.

“Het is als een kunstmatig weefsel of zenuw.” “We geloven dat we voor het eerst een sterke, robuuste, drilpudding-achtige elektrode hebben die mogelijk metaal kan vervangen om zenuwen te stimuleren en een interface te vormen met het hart, de hersenen en andere organen in het lichaam”, voegt Xuanhe Zhao toe, hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek aan het MIT.

Het team rapporteert de resultaten in Nature Materials. Tot de co-auteurs van de studie behoren de eerste auteur en voormalig MIT-postdoc Tao Zhou, die nu assistent-professor is aan de Penn State University, en collega’s aan de Jiangxi Science and Technology Normal University en de Shanghai Jiao Tong University.

Een ware uitdaging

De overgrote meerderheid van polymeren is van nature isolerend, wat betekent dat elektriciteit er niet gemakkelijk doorheen gaat. Maar er bestaat een kleine en speciale klasse polymeren die in feite elektronen door hun massa kunnen laten gaan. Van sommige geleidende polymeren werd voor het eerst aangetoond dat ze in de jaren zeventig een hoge elektrische geleidbaarheid vertoonden – werk dat later een Nobelprijs voor scheikunde kreeg.

Onlangs hebben onderzoekers, waaronder die in het laboratorium van Zhao, geprobeerd geleidende polymeren te gebruiken om zachte, metaalvrije elektroden te fabriceren voor gebruik in bio-elektronische implantaten en andere medische apparaten. Deze inspanningen waren gericht op het maken van zachte maar taaie, elektrisch geleidende films en pleisters, voornamelijk door deeltjes geleidende polymeren te mengen met hydrogel – een soort zacht en sponsachtig waterrijk polymeer.

Onderzoekers hoopten dat de combinatie van geleidend polymeer en hydrogel een flexibele, biocompatibele en elektrisch geleidende gel zou opleveren. Maar de tot nu toe gemaakte materialen waren ofwel te zwak en broos, of vertoonden slechte elektrische prestaties.

“In gelmaterialen vechten de elektrische en mechanische eigenschappen altijd met elkaar”, zegt Yuk. “Als je de elektrische eigenschappen van een gel verbetert, moet je mechanische eigenschappen opofferen, en vice versa. Maar we hebben beide nodig: een materiaal moet geleidend zijn, maar ook rekbaar en robuust. Dat was de echte uitdaging en de reden waarom mensen geleidende polymeren niet konden maken tot betrouwbare apparaten die volledig uit gel bestaan.”

Elektrische spaghetti

Tijdens hun studie ontdekten Yuk en zijn collega’s dat ze een nieuw recept nodig hadden om geleidende polymeren te mengen met hydrogels op een manier die zowel de elektrische als mechanische eigenschappen van de respectieve ingrediënten verbeterde.

“Mensen vertrouwden voorheen op een homogene, willekeurige vermenging van de twee materialen”, zegt Yuk.

Dergelijke mengsels produceerden gels gemaakt van willekeurig verspreide polymeerdeeltjes. De groep realiseerde zich dat om de elektrische en mechanische sterkte van respectievelijk het geleidende polymeer en de hydrogel te behouden, beide ingrediënten zo moeten worden gemengd dat ze enigszins afstoten – een toestand die bekend staat als fasescheiding. In deze enigszins gescheiden toestand kan elk ingrediënt zijn respectievelijke polymeren verbinden om lange, microscopisch kleine strengen te vormen, terwijl ze ook als geheel worden gemengd.

“Stel je voor dat we elektrische en mechanische spaghetti maken”, biedt Zhao aan. “De elektrische spaghetti is het geleidende polymeer, dat nu elektriciteit door het materiaal kan geleiden omdat het continu is. En de mechanische spaghetti is de hydrogel, die mechanische krachten kan overbrengen en taai en rekbaar is omdat hij ook continu is.”

De onderzoekers pasten vervolgens het recept aan om de spaghetti-gel in een inkt te koken, die ze door een 3D-printer op films van pure hydrogel lieten printen, in patronen die vergelijkbaar zijn met conventionele metalen elektroden. “Omdat deze gel 3D-printbaar is, kunnen we geometrieën en vormen aanpassen, waardoor het gemakkelijk wordt om elektrische interfaces voor allerlei soorten organen te fabriceren”, zegt eerste auteur Zhou.

De onderzoekers implanteerden vervolgens de geprinte elektroden op het hart, de heupzenuw en het ruggenmerg van ratten en testte de elektrische en mechanische prestaties tot twee maanden. De apparaten bleven stabiel, met weinig ontstekingen en littekens in de omliggende weefsels. De elektroden konden elektrische pulsen van het hart doorgeven aan een externe monitor, evenals kleine pulsen aan de heupzenuw en het ruggenmerg, wat op zijn beurt de motorische activiteit in de bijbehorende spieren en ledematen stimuleerde.