Creato un gel che fluttua nell’acqua che conserva l’immensa capacità semiconduttiva necessaria per trasmettere informazioni tra i tessuti viventi e la macchina
Gli idrogel, noti per la loro somiglianza meccanica e chimica con i tessuti biologici, sono ampiamente utilizzati nelle biotecnologie, mentre i semiconduttori forniscono funzionalità elettroniche e optoelettroniche avanzate come l'amplificazione del segnale, il rilevamento e la fotomodulazione. La combinazione delle proprietà dei semiconduttori con la progettazione di idrogel può migliorare le funzioni biointerattive e l'intimità nelle biointerfacce, ma ciò è impegnativo a causa della bassa idrofilicità dei semiconduttori polimerici.
Il materiale ideale per interfacciare l'elettronica con il tessuto vivente è morbido, elastico e amante dell'acqua quanto il tessuto stesso: in breve, un idrogel. Nel frattempo, i semiconduttori – i materiali chiave per la bioelettronica come pacemaker, biosensori e dispositivi per la somministrazione di farmaci – sono tradizionalmente noti per essere rigidi, fragili e resistenti all’acqua.
Un articolo pubblicato su Science (1) dalla Pritzker School of Molecular Engineering dell’University of Chicago ha risolto questa sfida che da tempo ostacolava i ricercatori. Il risultato è un gel bluastro che fluttua come una gelatina marina nell’acqua, ma conserva l’immensa capacità semiconduttiva necessaria per trasmettere informazioni tra i tessuti viventi e la macchina.
Ciò significa che il loro materiale, sia semiconduttore che idrogel allo stesso tempo, soddisfa tutte le esigenze per un’interfaccia bioelettronica ideale.
«Quando si realizzano dispositivi bioelettronici impiantabili, una sfida da affrontare è realizzare un dispositivo con proprietà meccaniche simili ai tessuti», ha affermato il dottor Yahao Dai (2), il primo autore del nuovo articolo. «In questo modo, quando si interfacciano direttamente con il tessuto, possono deformarsi insieme e formare anche una bio-interfaccia molto intima».
Sebbene l’articolo si concentri principalmente sulle sfide che devono affrontare i dispositivi medici impiantati come sensori biochimici e pacemaker, il dottor Dai afferma che il materiale ha anche molte potenziali applicazioni non chirurgiche, come migliori letture sulla pelle o una migliore cura delle ferite.
«Ha proprietà meccaniche molto morbide e un ampio grado di idratazione simile al tessuto vivente», ha affermato Il professor Sihong Wang (3) il cui laboratorio ha condotto la ricerca. «L’idrogel è anche molto poroso, quindi consente il trasporto efficiente della diffusione di diversi tipi di sostanze nutritive e chimiche. Tutte queste caratteristiche si combinano per rendere l’idrogel probabilmente il materiale più utile per l’ingegneria tissutale e la somministrazione di farmaci».
Cambiamo la nostra prospettiva
Il modo tipico per realizzare un idrogel è prendere un materiale, scioglierlo in acqua e aggiungere sostanze chimiche gelificanti per gonfiare il nuovo liquido sotto forma di gel. Alcuni materiali si dissolvono semplicemente in acqua, altri richiedono ai ricercatori di armeggiare e modificare chimicamente il processo, ma il meccanismo principale è lo stesso: niente acqua, niente idrogel.
I semiconduttori, tuttavia, normalmente non si dissolvono in acqua. Invece di trovare mezzi nuovi e dispendiosi in termini di tempo per cercare di forzare il processo, il team PME di UChicago ha riesaminato la questione.
«Abbiamo iniziato a pensare: 'Va bene, cambiamo la nostra prospettiva' e abbiamo ideato un processo di scambio di solventi», ha affermato Dai.
Invece di sciogliere i semiconduttori in acqua, li hanno sciolti in un solvente organico miscibile con acqua. Hanno quindi preparato un gel dai semiconduttori disciolti e dai precursori dell'idrogel.
Un vantaggio importante di tale metodo basato sullo scambio di solventi è la sua ampia applicabilità a diversi tipi di semiconduttori polimerici con funzioni diverse.
Uno più uno è maggiore di due
Il semiconduttore idrogel, che il team ha brevettato e sta commercializzando attraverso il Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation di UChicago (4), non sta fondendo un semiconduttore con un idrogel. È un materiale che è allo stesso tempo semiconduttore e idrogel.
«È solo un pezzo che ha sia proprietà semiconduttrici che design di idrogel, il che significa che l'intero pezzo è proprio come qualsiasi altro idrogel», ha detto Wang.
A differenza di qualsiasi altro idrogel, tuttavia, il nuovo materiale ha effettivamente migliorato le funzioni biologiche in due aree, creando risultati migliori di quelli che l’idrogel o il semiconduttore potrebbero ottenere da soli.
In primo luogo, avere un materiale molto morbido che si lega direttamente al tessuto riduce le risposte immunitarie e l’infiammazione tipicamente innescate quando viene impiantato un dispositivo medico.
In secondo luogo, poiché gli idrogel sono così porosi, il nuovo materiale consente un’elevata risposta di biosensori e effetti di fotomodulazione più forti. Poiché le biomolecole sono in grado di diffondersi nella pellicola per avere interazioni, i siti di interazione per i biomarcatori sotto rilevamento aumentano significativamente, il che dà luogo a una maggiore sensibilità.
Oltre alla percezione, le risposte alla luce per le funzioni terapeutiche sulle superfici dei tessuti vengono aumentate anche dal trasporto più efficiente delle molecole. Ciò avvantaggia funzioni come pacemaker alimentati dalla luce o medicazioni per ferite che possono essere riscaldate in modo più efficiente con un semplice tocco di luce con l'obiettivo di accelerare la guarigione.
«È una combinazione del tipo ‘uno più uno è maggiore di due’», ha scherzato Wang.
Riferimenti:
(1) Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions
(2) Yahao Dai
(3) Sihong Wang
(4) Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation
Descrizione foto: Gli scienziati dell'University of Chicago hanno sviluppato un gel che conserva la capacità semiconduttiva necessaria per trasmettere informazioni tra i tessuti viventi e la macchina, aprendo nuovi orizzonti per la bioelettronica come pacemaker e altri impianti. - Credit: John Zich.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: In bioelectronics breakthrough, scientists create soft, flexible semiconductors