Meka elektroda bez metala koja se može ispisivati

Inženjeri MIT-a razvili su materijal nalik želeu bez metala koji je mekan i čvrst poput biološkog tkiva te može provoditi struju slično konvencionalnim metalima. Materijal se može pretvoriti u tintu za ispis, koju su istraživači oblikovali u fleksibilne, gumene elektrode. Novi materijal, koji je vrsta vodljivog polimernog hidrogela visoke učinkovitosti, mogao bi jednog dana zamijeniti metale kao funkcionalne elektrode na bazi gela, s izgledom i dojmom biološkog tkiva.

"Ovaj materijal djeluje poput metalnih elektroda, ali je napravljen od gelova koji su slični našim tijelima i sa sličnim udjelom vode," kaže Hyunwoo Yuk, profesor MIT-a i suosnivač SanaHeala, startupa za medicinske uređaje.

"Vjerujemo da po prvi put imamo čvrstu, robusnu elektrodu nalik želeu koja potencijalno može zamijeniti metal za stimulaciju živaca i povezivanje sa srcem, mozgom i drugim organima u tijelu," dodaje Xuanhe Zhao, profesor strojarstva na MIT-u.

Velika većina polimera po prirodi je izolacijska, što znači da struja ne prolazi lako kroz njih. Ali postoji mala i posebna klasa polimera koji zapravo mogu propustiti elektrone kroz svoju masu. Prvi put se pokazalo da neki vodljivi polimeri pokazuju visoku električnu vodljivost 1970-ih, u radu koji je kasnije nagrađen Nobelovom nagradom za kemiju.

Nedavno su istraživači, uključujući one u Zhaovom laboratoriju, pokušali koristiti vodljive polimere za izradu mekih elektroda bez metala za upotrebu u bioelektroničkim implantatima i drugim medicinskim uređajima. Ovi napori usmjereni su na izradu mekanih, ali čvrstih, električno vodljivih filmova, prvenstveno miješanjem čestica vodljivih polimera s hidrogelom, vrstom mekog i spužvastog polimera bogatog vodom.

Istraživači su se nadali da će kombinacija vodljivog polimera i hidrogela dati fleksibilan, biokompatibilan i električno vodljiv gel. Ali materijali napravljeni do danas bili su ili preslabi i lomljivi, ili su pokazivali loše električne performanse.

U svojoj novoj studiji, Yuk i njegovi kolege otkrili su da im je potreban novi recept za miješanje vodljivih polimera s hidrogelovima na način koji poboljšava i električna i mehanička svojstva dotičnih sastojaka.

"Zamislite da radimo električne i mehaničke špagete", kaže Zhao. "Električni špageti su vodljivi polimer, koji sada može prenositi elektricitet preko materijala jer je kontinuiran. A mehanički špageti su hidrogel, koji može prenositi mehaničke sile i biti tvrd i rastezljiv jer je također kontinuiran."

Istraživači su zatim prilagodili recept za kuhanje špagetiranog gela u tintu, koju su unijeli kroz 3D printer i ispisali na filmove čistog hidrogela, u uzorcima sličnim uobičajenim metalnim elektrodama.

"Budući da se ovaj gel može 3D ispisati, možemo prilagoditi geometrije i oblike, što olakšava izradu električnih sučelja za sve vrste organa", kaže prvi autor Zhou. 

Istraživači su zatim implantirali tiskane elektrode nalik na žele u srce, išijatični živac i leđnu moždinu štakora. Tim je testirao električnu i mehaničku izvedbu elektroda na životinjama dva mjeseca i ustanovio da su uređaji ostali stabilni tijekom cijelog procesa, s malo upala ili ožiljaka na okolnim tkivima. Elektrode su također mogle prenijeti električne impulse od srca do vanjskog monitora, kao i isporučiti male impulse bedrenom živcu i leđnoj moždini, što je zauzvrat stimuliralo motoričku aktivnost povezanih mišića i udova.

Yuk predviđa da bi primjena novog materijala mogla biti za ljude koji se oporavljaju od operacije srca.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Nature Materials možete pronaći na ovoj poveznici.