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Jul 27, 2023

Transistoren können wie Klebeband an inneren Organen haften

Von Sarah CP Williams, 16. August 2023 Das Anbringen eines implantierbaren Sensors an der Oberfläche eines schlagenden Herzens erfordert normalerweise das Nähen der Peripherie des Sensors oder das Aufbringen reichlicher Klebeschichten

Von Sarah CP Williams

16. August 2023

Das Anbringen eines implantierbaren Sensors an der Oberfläche eines schlagenden Herzens erfordert normalerweise das Annähen der Peripherie des Sensors oder das Auftragen einer großen Menge Klebstoff zwischen Sensor und Herz. In beiden Fällen hat ein solcher Sensor selten engen und ununterbrochenen Kontakt mit dem Herzgewebe, wodurch die Daten begrenzt sind, die Ärzte über die Herzfunktion eines Patienten sammeln können.

Um diese Herausforderung zu lösen, haben Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago einen neuen Hafthalbleiter entwickelt, der fest an den feuchten, biegsamen Oberflächen lebender Gewebe, einschließlich des Herzens, haften kann. Der in der Fachzeitschrift Science beschriebene Halbleiter ermöglicht gewebeadhäsive Eigenschaften für Transistor-basierte Biosensoren.

„Dies ist der erste Halbleiter und Transistor, der Bioadhäsion als intrinsische Eigenschaft besitzt – man braucht keine organinvasiven Nähte, Klammern oder Kleber, um ihn auf ein Gewebe zu kleben“, sagte Sihong Wang, Assistenzprofessor bei Pritzker Molecular Engineering leitete die Forschung. „Dies wird allerlei neue Möglichkeiten für die Biosensorik eröffnen.“ Wang hat auch eine gemeinsame Anstellung am Argonne National Laboratory.

Wangs Labor am PME konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Materialien als Grundlage für eine ganze Reihe von Geräten, die zur Gesundheitsüberwachung mit dem menschlichen Körper interagieren. Einige ihrer früheren Forschungen haben zu dehnbaren, flexiblen Computerchips geführt, die Gesundheitsdaten analysieren können, sowie zu dehnbaren Displays zur Integration in tragbare Elektronik.

Aber Wang glaubte, dass noch mehr Arbeit nötig sei, um die Biosensoren zu revolutionieren, die den ersten Schritt in diesem Arbeitsablauf ausführen: das Sammeln von Informationen aus inneren Organen, um sie an die Chips und Displays zu senden.

Früher entwickelte Biosensoren seien nicht sehr gut darin, fest an lebenden Organen zu haften, sagte er. Dies bedeutete, dass die von ihnen bereitgestellten Daten inkonsistent oder lückenhaft waren.

„Ein wichtiger Schritt, um Informationen von überall im menschlichen Körper zu erhalten, ist die Übertragung des Signals von einem Gewebe an ein Gerät. Je besser sich Ihr Gerät an eine Gewebeoberfläche anpassen und daran haften kann, desto effektiver ist die Signalübertragung“, erklärt er Nan Li, ein Ph.D. Student in Wangs Labor, der der Erstautor dieser Arbeit ist.

Die meisten menschlichen Organe sind nicht nur ständig in Bewegung und können wachsen oder schrumpfen, sondern sind auch ständig feucht.

„Jeder weiß aus eigener Lebenserfahrung, dass ein Stück Klebeband stark haften kann, wenn man versucht, es auf eine trockene Oberfläche zu kleben“, sagte Wang. „Aber versuchen Sie, dasselbe Klebeband auf eine nasse Oberfläche zu kleben, dann wird es viel schwieriger.“

Wangs Gruppe meisterte diese Herausforderungen, indem sie ein neues Polymer entwickelte, das Flüssigkeit auf der Oberfläche eines feuchten Taschentuchs aufsaugt und dann an dessen Oberfläche haftet. Sie kombinierten das Polymer mit den dehnbaren, flexiblen Halbleitern, die sie in der Vergangenheit entwickelt hatten. Der resultierende Sensor ist ein „doppeltes Netzwerk“ aus zwei Materialien: einem bioadhäsiven und einem halbleitenden. Die Forscher gestalteten das neue Material so, dass sich die Eigenschaften beider Materialien bei Kombination verschlechterten.

Um den Nutzen des neuen Klebepolymers zu testen, verwendeten Wang und seine Kollegen das Material, um Geräte zu entwickeln, die Daten über die elektrische Aktivität von Herzen sammeln konnten.

„Die Geräte könnten mit weniger als einer Minute sanftem Druck an jeder Stelle der Herzoberfläche angebracht werden“, sagte Wang.

Sie zeigten, dass die Geräte an einem Bereich des Herzens hafteten, ohne zu driften, und zuverlässigere und qualitativ hochwertigere Daten sammelten als Geräte, die am Herzen befestigt oder geklebt werden. Für Forscher, die Daten vielen Bereichen eines Organs wie dem Herzen zuordnen möchten, kann eine solch stabile und enge Gewebeanhaftung die räumliche Auflösung einer Langzeitaufzeichnung erheblich verbessern.

Wang sagt jedoch, dass die Einsatzmöglichkeiten des neuen bioadhäsiven Materials weit über die Aufzeichnung elektrophysiologischer Signale hinausgehen. Das gleiche Material könnte zur Herstellung von Klebesensoren verwendet werden, die im Körper Daten über den Gehalt an Immunmolekülen, Elektrolyten oder Metaboliten sammeln.

„Das hat wirklich großes Potenzial für die biochemische Sensorik“, sagte Wang. „Es kann ein breites Spektrum implantierbarer Sensoren eröffnen, die Daten direkt aus Geweben im menschlichen Körper sammeln.“

Wangs Gruppe untersucht außerdem, wie die Adhäsionseigenschaften präziser abgestimmt werden können, damit Geräte, die das neue Polymer verwenden, kontrollierter aus dem Körper entfernt werden können. Für die langfristige Erfassung von Gesundheitsdaten entwickeln sie außerdem neue Materialdesignstrategien, um sicherzustellen, dass das Immunsystem des menschlichen Körpers das Material akzeptiert und es über einen langen Zeitraum funktionsfähig bleibt.

Ihr übergeordnetes Ziel ist die Herstellung und Aufrechterhaltung intimer Gewebeschnittstellen über einen beliebigen Zeitraum.

Weitere Autoren dieser Arbeit sind Yang Li, Zhe Cheng, Youdi Liu, Yahao Dai, Dr. Seounghun Kang, Dr. Songsong Li, Naisong Shan, Shinya Wai, Aidan Ziaja, Dr. Wei Liu, Cheng Zhang, Prof. Jeffrey A. Hubbell, Prof. Bozhi Tian von UChicago; Yunfei Wang und Prof. Xiaodan Gu von der University of Southern Mississippi; und Joseph Strzalka vom Argonne National Laboratory.

Zitat: „Bioadhäsive Polymerhalbleiter und Transistoren für intime Bioschnittstellen“, Li et al, Science, 10. August 2023. DOI: 10.1126/science.adg8758

–Diese Geschichte erschien ursprünglich auf der Website der Pritzker School of Molecular Engineering.

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