یک نیمه هادی هیدروژل جدید از دانشگاه شیکاگو راه حلی پیشگامانه برای بیوالکترونیک ارائه می دهد که ویژگی های بافت مانند را با عملکرد الکترونیکی بالا ترکیب می کند و یکپارچگی و اثربخشی دستگاه های پزشکی را افزایش می دهد.
ماده مناسب برای اتصال الکترونیک با بافت زنده نرم، قابل کشش و به اندازه خود بافت آب‌دوست است که هیدروژل ها را به انتخابی ایده آل تبدیل می کند. در مقابل، “نیمه هادی ها”، مواد کلیدی برای بیوالکترونیک مانند ضربان سازها، حسگرهای زیستی، و دستگاه های دارورسانی، سفت، شکننده و آبگریز هستند و حل شدن آنها را به روشی که هیدروژل ها به طور سنتی ساخته شده اند غیرممکن می کند.
نیمه هادی ماده ای است که دارای خواص الکتریکی خاصی است که آن را قادر می سازد به عنوان پایه ای برای رایانه ها و سایر وسایل الکترونیکی عمل کند. معمولاً یک عنصر شیمیایی جامد یا ترکیبی است که الکتریسیته را فقط تحت شرایط خاصی هدایت می کند.
- پیشرفت در بیوالکترونیک
در مطالعه جدیدی که در Science منتشر شده است، دانشمندان دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو با ابداع روشی که هیدروژل ها برای ساخت یک نیمه هادی قدرتمند به شکل هیدروژل ایجاد می شوند، بر این مانع طولانی مدت غلبه کرده اند. به رهبری دستیار گروه تحقیقاتی پروفسور سیهونگ وانگ، نتیجه یک ژل مایل به آبی است که مانند یک عروس دریایی در آب موج می زند و در عین حال توانایی نیمه رسانایی فوق العاده مورد نیاز برای انتقال اطلاعات بین بافت زنده و دستگاه های الکترونیکی را حفظ می کند.
- خواص و کاربردهای مواد جدید
این ماده مدول‌های سطح بافت را به نرمی 81 کیلو پاسکال، قابلیت کشش 150 درصد کُرنش، و تحرک حامل بار تا 1.4 سانتی‌متر مربع V-1 S-1 نشان داد. این بدان معنی است که مواد آنها -هم نیمه هادی و هم هیدروژل به طور همزمان- همه نیازها را برای یک رابط بیوالکترونیک ایده آل تامین می‌کند.
یاهائو دای، نویسنده اول مقاله جدید گفت:«هنگام ساخت دستگاه‌های بیوالکترونیک قابل کاشت، یکی از چالش‌هایی که باید به آن بپردازید، ساختن دستگاهی با خواص مکانیکی بافت مانند است. به این ترتیب، هنگامی که مستقیماً با بافت در ارتباط است، آنها می توانند با هم تغییر شکل دهند و همچنین یک رابط زیستی بسیار متراکم تشکیل دهند.»
اگرچه این مقاله عمدتاً بر روی چالش‌های پیش روی دستگاه‌های پزشکی کاشته‌شده مانند حسگرهای بیوشیمیایی و ضربان‌سازها متمرکز بود، دای گفت که این ماده همچنین کاربردهای غیرجراحی بالقوه‌ای مانند بررسی بهتر پوست یا بهبود مراقبت از زخم‌ها دارد.
پروفسور سیهونگ وانگ دستیار تیم UChicago PME می‌گوید: «این ماده دارای خواص مکانیکی بسیار نرم و درجه بالایی از آبرسانی مشابه بافت زنده است. هیدروژل همچنین بسیار متخلخل است، بنابراین امکان انتقال موثر انتشار انواع مختلف مواد مغذی و مواد شیمیایی را فراهم می کند. همه این ویژگی‌ها ترکیب می‌شوند تا هیدروژل را احتمالاً مفیدترین ماده برای مهندسی بافت و رهایش دارو معرفی کنند.»
- تکنیک تولید نوآورانه
روش معمولی برای ساخت هیدروژل این است که یک ماده را بردارید، آن را در آب حل کنید و مواد شیمیایی سفت‌کننده را اضافه کنید تا مایع جدید به شکل ژل پف کند. برخی از مواد به سادگی در آب حل می شوند و برخی دیگر به محققین نیاز دارند که فرآیند را دستکاری و از نظر شیمیایی اصلاح کنند، اما مکانیسم اصلی یکسان است: بدون آب، بدون هیدروژل.
با این حال، نیمه هادی ها معمولاً در آب حل نمی شوند. تیم UChicago PME به جای یافتن ابزارهای جدید و وقت گیر برای تحمیل این فرآیند، دوباره این سوال را بررسی کرد.
دای گفت: «ما شروع به فکر کردن کردیم، “خوب، بیایید دیدگاه خود را تغییر دهیم” و به یک فرآیند تبادل حلال رسیدیم.»
آنها به جای حل کردن نیمه هادی ها در آب، آنها را در یک حلال آلی حل کردند که با آب قابل اختلاط است. سپس از نیمه هادی های حل شده و پیش سازهای هیدروژل ژلی تهیه کردند. ژل آنها در ابتدا یک ارگانوژل بود، نه یک هیدروژل.
دای گفت: «برای اینکه در نهایت آن را به یک هیدروژل تبدیل کنیم، کل سیستم مواد را در آب غوطه ور کردیم تا حلال آلی تجزیه و آب وارد شود.»
یکی از مزایای مهم چنین روش مبتنی بر تبادل حلال، کاربرد گسترده آن برای انواع مختلف نیمه هادی های پلیمری با عملکردهای مختلف است.
- ترکیب مزایای نیمه هادی و هیدروژل
نیمه هادی هیدروژل، که این تیم ثبت اختراع کرده و از طریق مرکز کارآفرینی و نوآوری پولسکی UChicago در حال تجاری سازی است، یک نیمه هادی را با یک هیدروژل ادغام نمی کند. این ماده ای است که هم نیمه هادی و هم هیدروژل است.
وانگ گفت: «این فقط یک قطعه است که هم خاصیت نیمه هادی دارد و هم طراحی هیدروژل، به این معنی که کل این قطعه دقیقاً مانند هر هیدروژل دیگری است.»
با این حال، برخلاف هر هیدروژل دیگری، ماده جدید عملاً عملکردهای بیولوژیکی را در دو زمینه بهبود بخشید و نتایج بهتری نسبت به هیدروژل یا نیمه هادی ها به تنهایی ایجاد کرد.
اول، داشتن پیوند مواد بسیار نرم به طور مستقیم با بافت، پاسخ های ایمنی و التهابی را که معمولاً هنگام کاشت یک دستگاه پزشکی ایجاد می شود، کاهش می دهد.
دوم، از آنجایی که هیدروژل ها بسیار متخلخل هستند، ماده جدید پاسخ حسی زیستی بالا و اثرات قوی‌تر “فوتومدولاسیون” را ممکن می کند. از آنجایی که مولکول‌های زیستی می‌توانند برای داشتن برهمکنش‌های حجمی به داخل فیلم نفوذ کنند، مکان‌های برهمکنش برای نشانگرهای زیستی که کمتر تشخیص داده می‌شوند، به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابند که حساسیت بالاتری را ایجاد می‌کند. علاوه بر حس کردن، پاسخ به نور برای عملکردهای درمانی در سطوح بافت نیز از طریق انتقال کارآمدتر گونه‌های فعال ردوکس افزایش یافت. این کار به عملکردهایی مانند ضربان‌سازهای نوری یا پانسمان زخم کمک می‌کند که می‌توانند به طور مؤثرتری با یک تلنگر نور گرم شوند تا به سرعت بهبودی کمک کنند.
درمان فوتوبیومدولاسیون (PBM) شکلی از نور درمانی است که از اشکال غیر یونیزه کننده منابع نور، از جمله لیزر، LED و نور باند پهن، در طیف مرئی و مادون قرمز استفاده می کند.
وانگ به شوخی گفت: «این یک نوع ترکیب “یک به علاوه یک بزرگتر از دو” است.»
References:
