Gel Bioelektronik Revolusioner Membawa Jaringan Hidup dan Teknologi Lebih Dekat Dari Sebelumnya

Semikonduktor hidrogel baru dari[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>University of Chicago offers a groundbreaking solution for bioelectronics, blending tissue-like properties with high electronic functionality, enhancing medical device integration and effectiveness.

The perfect material for interfacing electronics with living tissue is soft, stretchable, and as water-loving as the tissue itself, making hydrogels an ideal choice. In contrast, semiconductors, the key materials for bioelectronics such as pacemakers, biosensors, and drug delivery devices, are rigid, brittle, and hydrophobic, making them impossible to dissolve in the way hydrogels have traditionally been built.

Breakthrough in Bioelectronics

In a new study published in Science, scientists from the University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering have overcome this long-standing barrier by innovating the way hydrogels are created to build a powerful semiconductor in hydrogel form. Led by Asst. Prof. Sihong Wang’s research group, the result is a bluish gel that undulates in water like a jellyfish yet maintains the immense semiconductive ability required to transmit information between living tissue and electronic devices.

Properties and Applications of the New Material

The material demonstrated tissue-level moduli as soft as 81 kPa, stretchability of 150% strain, and charge-carrier mobility up to 1.4 cm2 V-1 s-1. This means their material—both semiconductor and hydrogel at the same time—ticks all the boxes for an ideal bioelectronic interface.

“When making implantable bioelectronic devices, one challenge you must address is to make a device with tissue-like mechanical properties,” said Yahao Dai, the first author of the new paper. “That way, when it gets directly interfaced with the tissue, they can deform together and also form a very intimate bio-interface.”

Although the paper mainly focused on the challenges facing implanted medical devices such as biochemical sensors and pacemakers, Dai said the material also has many potential non-surgical applications, like better readings of the skin or improved care for wounds.

“It has very soft mechanical properties and a large degree of hydration similar to living tissue,” said UChicago PME Asst. Prof. Sihong Wang. “Hydrogel is also very porous, so it allows the efficient diffusion transport of different kinds of nutrition and chemicals. All these traits combine to make hydrogel probably the most useful material for tissue engineering and drug delivery.”

Teknik Produksi yang Inovatif

Cara umum pembuatan hidrogel adalah dengan mengambil bahan, melarutkannya dalam air, dan menambahkan bahan kimia gelasi untuk mengembang cairan baru menjadi bentuk gel. Beberapa bahan hanya larut dalam air, dan bahan lainnya memerlukan peneliti untuk mengotak-atik dan memodifikasi prosesnya secara kimia, namun mekanisme intinya sama: Tanpa air, tanpa hidrogel.

Semikonduktor, bagaimanapun, biasanya tidak larut dalam air. Daripada mencari cara baru yang memakan waktu untuk memaksakan proses tersebut, tim PME UChicago mengkaji ulang pertanyaan tersebut.

“Kami mulai berpikir, 'Oke, mari kita ubah perspektif kita,' dan kami menemukan proses pertukaran pelarut,” kata Dai.

Alih-alih melarutkan semikonduktor dalam air, mereka melarutkannya dalam pelarut organik yang dapat larut dengan air. Mereka kemudian menyiapkan gel dari semikonduktor terlarut dan prekursor hidrogel. Gel mereka awalnya adalah organogel, bukan hidrogel.

“Untuk akhirnya mengubahnya menjadi hidrogel, kami kemudian membenamkan seluruh sistem material ke dalam air agar pelarut organik larut dan membiarkan air masuk,” kata Dai.

Manfaat penting dari metode berbasis pertukaran pelarut adalah penerapannya yang luas pada berbagai jenis semikonduktor polimer dengan fungsi berbeda.

Menggabungkan Manfaat Semikonduktor dan Hidrogel

Semikonduktor hidrogel, yang telah dipatenkan dan dikomersialkan oleh tim melalui Pusat Kewirausahaan dan Inovasi Polsky UChicago, tidak menggabungkan semikonduktor dengan hidrogel. Ini adalah salah satu bahan yang merupakan semikonduktor dan hidrogel pada saat yang bersamaan.

“Ini hanya satu bagian yang memiliki sifat semikonduktor dan desain hidrogel, artinya keseluruhan bagian ini sama seperti hidrogel lainnya,” kata Wang.

Namun, tidak seperti hidrogel lainnya, bahan baru ini benar-benar meningkatkan fungsi biologis di dua bidang, memberikan hasil yang lebih baik daripada yang dapat dicapai oleh hidrogel atau semikonduktor jika dilakukan sendiri.

Pertama, memiliki ikatan bahan yang sangat lembut langsung dengan jaringan akan mengurangi respons imun dan peradangan yang biasanya dipicu ketika perangkat medis ditanamkan.

Kedua, karena hidrogel sangat berpori, material baru ini memungkinkan peningkatan respons biosensing dan efek fotomodulasi yang lebih kuat. Dengan kemampuan biomolekul untuk berdifusi ke dalam film untuk menghasilkan interaksi volumetrik, lokasi interaksi untuk biomarker yang belum terdeteksi meningkat secara signifikan, sehingga meningkatkan sensitivitas yang lebih tinggi. Selain penginderaan, respons terhadap cahaya untuk fungsi terapeutik pada permukaan jaringan juga meningkat karena transpor aktif redoks yang lebih efisien jenis. Manfaat ini berfungsi seperti alat pacu jantung yang dioperasikan dengan cahaya atau pembalut luka yang dapat dipanaskan secara lebih efisien dengan sedikit cahaya untuk membantu mempercepat penyembuhan.

“Ini adalah kombinasi 'satu tambah satu lebih besar dari dua',” canda Wang.

Referensi: “Semikonduktor hidrogel lunak dengan fungsi biointeraktif yang ditingkatkan” oleh Yahao Dai, Shinya Wai, Pengju Li, Naisong Shan, Zhiqiang Cao, Yang Li, Yunfei Wang, Youdi Liu, Wei Liu, Kan Tang, Yuzi Liu, Muchuan Hua, Songsong Li , Nan Li, Shivani Chatterji, H. Christopher Fry, Sean Lee, Cheng Zhang, Max Weires, Sean Sutyak, Jiuyun Shi, Chenhui Zhu, Jie Xu, Xiaodan Gu, Bozhi Tian dan Sihong Wang, 24 Oktober 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adp9314

Pendanaan: Pekerjaan ini didukung oleh Amerika Institut Kesehatan Nasional Penghargaan Inovator Baru Direktur (1DP2EB034563) dan Kantor Penelitian Angkatan Laut AS (N00014-21-1-2266). Pekerjaan ini sebagian didukung oleh dana awal dari Universitas Chicago.