Debido a sus propiedades mecánicas similares a los tejidos, los hidrogeles se utilizan cada vez más para aplicaciones biomédicas; un ejemplo bien conocido son las lentes de contacto blandas. Estos polímeros en forma de gel consisten en un 90 por ciento de agua, son elásticos y particularmente biocompatibles. Los hidrogeles que también son conductores de electricidad permiten campos de aplicación adicionales, por ejemplo en la transmisión de señales eléctricas en el cuerpo o como sensores. Un equipo de investigación interdisciplinario del Grupo de Formación en Investigación (RTG) 2154 "Materiales para el cerebro" de la Universidad de Kiel (CAU) ha desarrollado ahora un método para producir hidrogeles con un excelente nivel de conductividad eléctrica. Lo que hace que este método sea especial es que las propiedades mecánicas de los hidrogeles se conservan en gran medida. De esta forma, podrían ser especialmente adecuados, por ejemplo, como material para implantes médicos funcionales, que se utilizan para tratar determinadas enfermedades cerebrales. Los hallazgos del grupo fueron publicados el 16 de marzo de 2021 en la prestigiosa revista Nano letras .

"La elasticidad de los hidrogeles se puede adaptar a varios tipos de tejido en el cuerpo e incluso a la consistencia del tejido cerebral. Por eso estamos particularmente interesados ​​en estos hidrogeles como materiales de implantes, "explica la científica de materiales Margarethe Hauck, investigador doctoral en RTG 2154 y uno de los autores principales del estudio. Como tal, la colaboración interdisciplinaria de materiales y científicos médicos se centra en el desarrollo de nuevos materiales para implantes, por ejemplo, para la liberación de sustancias activas para tratar enfermedades cerebrales como la epilepsia, tumores o aneurismas. Los hidrogeles conductores podrían usarse para controlar la liberación de sustancias activas con el fin de tratar ciertas enfermedades localmente de una manera más específica.

Para producir hidrogeles conductores de electricidad, Los hidrogeles convencionales generalmente se mezclan con nanomateriales conductores de corriente que están hechos de metales o carbono. como los nanocables de oro, grafeno o nanotubos de carbono. Para lograr un buen nivel de conductividad, A menudo se requiere una alta concentración de nanomateriales. Sin embargo, esto altera las propiedades mecánicas originales de los hidrogeles, como su elasticidad, y así impacta su interacción con las células circundantes. "Las células son particularmente sensibles a la naturaleza de su entorno. Se sienten más cómodas con los materiales que las rodean, cuyas propiedades corresponden lo más fielmente posible a su entorno natural en el cuerpo, "explica Christine Arndt, investigador de doctorado en el Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Kiel y también autor principal del estudio.

El método de producción requiere menos grafeno que los enfoques anteriores

En estrecha colaboración con varios grupos de trabajo, El equipo de investigación ahora pudo desarrollar un hidrogel que cuenta con una combinación ideal:no solo es eléctricamente conductor, pero también conserva su nivel original de elasticidad. Para la conductividad, los científicos usaron grafeno, un material que ya se ha utilizado en otros enfoques de producción. "El grafeno tiene excelentes propiedades eléctricas y mecánicas y también es muy ligero, "dice el Dr. Fabian Schütt, líder de grupo junior en el Grupo de Formación en Investigación, enfatizando así las ventajas del material ultrafino, que consta de una sola capa de átomos de carbono. Lo que hace que este nuevo método sea diferente es la cantidad de grafeno utilizado. "Estamos usando significativamente menos grafeno que en estudios anteriores, y como un resultado, se conservan las propiedades clave del hidrogel, "dice Schütt sobre el estudio actual, que él inició.

Para lograr este objetivo, los científicos recubrieron una fina estructura de micropartículas cerámicas con escamas de grafeno. Luego agregaron el hidrogel de poliacrilamida, que encerraba la estructura del marco, que finalmente fue grabado. La fina capa de grafeno del hidrogel no se ve afectada por este proceso. Todo el hidrogel ahora está rayado con microcanales recubiertos de grafeno, similar a un sistema nervioso artificial.

Imágenes especiales en 3D de Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) demuestran la conductividad altamente electrónica del sistema de canales:"Debido a una multitud de conexiones entre los tubos de grafeno individuales, las señales eléctricas siempre encuentran su camino a través del material y lo hacen extremadamente confiable, "dice el Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Jefe del Departamento de Imágenes y Ciencia de Datos de HZG y miembro asociado de RTG. Con la ayuda de rayos X de alta intensidad, el matemático tomó las imágenes en un corto período de tiempo en la línea de haz de imágenes operada por el HZG en el anillo de almacenamiento PETRA III en el Deutsche Elektronensynchrotron DESY. Y la red tridimensional tiene otra ventaja más:su capacidad de estiramiento le permite adaptarse de forma relativamente flexible a su entorno.

Otros campos de aplicación en biomedicina y robótica blanda

"Con las colaboraciones entre diferentes grupos de trabajo, el RTG ofrece condiciones ideales para preguntas de investigación biomédica que requieren un enfoque interdisciplinario, "dice Christine Selhuber-Unkel, primer portavoz del RTG y ahora profesor de Ingeniería de Sistemas Moleculares en la Universidad de Heidelberg. "Este es un campo de investigación complejo, ya que combina la ciencia de los materiales y la medicina y es probable que se desarrolle enormemente en los próximos años, mientras aumentará la demanda nacional e internacional de especialistas calificados, y esto es para lo que queremos preparar a nuestros investigadores doctorales de la mejor manera posible, "añade su sucesor, Rainer Adelung, Catedrático de Nanomateriales Funcionales en la Universidad de Kiel y portavoz del RTG desde 2020.

En el futuro, Son posibles varias aplicaciones adicionales del nuevo hidrogel conductor:Margarethe Hauck planea desarrollar un hidrogel que reaccione a pequeños cambios de temperatura y pueda liberar sustancias activas en el cerebro de manera controlada. Christine Arndt está trabajando en cómo los hidrogeles conductores de electricidad se pueden utilizar como robots biohíbridos. La fuerza que las células ejercen sobre su entorno podría utilizarse aquí para impulsar sistemas robóticos miniaturizados.