Bioelektronik: Leitfähiges Hydrogel steuert elektrische und biochemische Signale

Viele medizinische Zukunftstechnologien basieren auf einer nahtlosen Verbindung von biologischen und elektronischen Systemen. Dafür werden Materialien benötigt, die gleichzeitig möglichst weich, elektrisch leitfähig und biologisch aktiv sind - Eigenschaften, die sich bislang nur schwer kombinieren lassen.

Unter der Leitung von Prof. Ivan Minev (Technische Universität Dresden (TUD), Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden) und Dr. Christoph Tondera (Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und Zentrum für Regenerative Therapien (CRTD) der TUD) gelang Forschenden nun die Entwicklung eines solchen Materials. Das bioinspirierte Hydrogel vereint erstmals biochemische und elektrische Signalsteuerung.

Es bindet Botenstoffe, die Zellen zum Wachstum anregen, und kann sie durch elektrische Impulse gezielt wieder freisetzen. Zudem dient es als Sensor, um biologische Parameter wie Sauerstoff zu messen. Der Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für medizinische Geräte und Implantate, etwa zur Behandlung von Schäden im Nervensystem. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Ein Material nach dem Vorbild der Natur

Damit Implantate vom menschlichen Körper gut vertragen werden, müssen sie dem umliegenden Gewebe in ihren mechanischen Eigenschaften ähneln. Für Anwendungen im Nervensystem bedeutet das, dass ideale Materialien weich, flexibel und gleichzeitig elektrisch leitfähig sein sollten. Ausgehend von der natürlichen Zellumgebung (extrazelluläre Matrix - ECM) entwickelten die Forschenden ein wasserbasiertes Material (Hydrogel), das zentrale Eigenschaften der ECM nachahmt und gleichzeitig elektrisch aktiv ist.

Ein Bestandteil der ECM sind Glykosaminoglykane, die aus stark negativ geladenen, langkettigen Zuckermolekülen bestehen. Diese kombinierten die Forschenden mit sternförmigem Polyethylenglykol (starPEG), um ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden, das Wasser und andere Substanzen binden kann.

Anschließend ergänzten sie dieses bioinspirierte Hydrogel mit dem halbleitenden organischen Polymer PEDOT. Durch die Integration des leitfähigen Polymers entstand schließlich ein neues, vielversprechendes Material (PEDOT:sGAGh), das sich für Anwendungen an der Schnittstelle von Biomedizin und Elektronik eignet.

Leitfähig, steuerbar und biologisch aktiv

In einer Reihe von Experimenten zeigten die Forschenden, dass sich PEDOT im Hydrogel einlagert, ohne dessen Nanostruktur zu zerstören. Innerhalb des Materials bildeten sich kleine leitfähige Cluster, die elektrische Signale übertragen können. Gleichzeitig bleibt das Material weich und wasserbasiert - Eigenschaften, die für den Einsatz im Körper entscheidend sind.

Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich gezielt einstellen, etwa über die Menge an PEDOT und die Anzahl negativer Ladungen im Material. Anschließend prüften die Forschenden, ob sich auch bioaktive Moleküle im Material binden und wieder freisetzen lassen. Das ist zum Beispiel für Implantate relevant, die im Körper zusätzlich zur elektrischen Stimulation Wirkstoffe abgeben sollen.

"Mithilfe schwacher elektrischer Signale können wir gezielt steuern, ob Wachstumsfaktoren im Material gebunden bleiben oder freigesetzt werden. Unsere Zellkulturversuche zeigen, dass die Faktoren durch die elektrische Stimulation nicht verändert werden und weiterhin biologisch aktiv bleiben: Nach kontrollierter Freisetzung des Wachstumsfaktors VEGF bildeten die kultivierten Zellen röhrenartige Strukturen aus - ein frühes Stadium der Blutgefäßbildung", erklärt Dr. Teuku Fawzul Akbar, Wissenschaftler in der Gruppe von Prof. Minev und Erstautor der Veröffentlichung.

Neben der Freisetzung von Signalstoffen kann das Material auch als Sensor dienen. Das zeigte das Team anhand der Messung von Sauerstoff. In einem biohybriden Schaltkreis demonstrierten die Forschenden: Sinkt der Sauerstoffgehalt, wird ein elektrisches Signal ausgelöst, das die Freisetzung eines Wachstumsfaktors steuert. Dieser kann wiederum das Wachstum von Nervenzellen in der Zellkultur anregen.

"Unser Material ist das erste, das die weichen Eigenschaften biologischer Gewebe mit deren natürlicher Kommunikationsweise verbindet: der Signalübertragung über Biomoleküle und elektrische Impulse. Das ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung neuer biomedizinischer Geräte und Implantate", sagt Dr. Christoph Tondera, Forschungsgruppenleiter am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und dem CRTD der TUD.

Bessere Gehirn-Computer-Schnittstellen und smarte Implantate

Das Hydrogel überträgt ein Prinzip aus der Natur in die Technik, indem es biochemische Signalwirkung mit elektrischer Kontrolle verbindet. Künftig könnte das Material etwa in Elektrodenbeschichtungen oder bioelektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Langfristig soll die Technologie dazu beitragen, Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer zu verbessern. Eine denkbare medizinische Anwendung sind Gehirnimplantate, die nicht nur messen oder stimulieren, sondern beides kombinieren.

Dies könnte die Behandlung für Patienten mit Epilepsie oder Parkinson verbessern. "Als nächstes werden wir die langfristige Stabilität, Leistungsfähigkeit und Verträglichkeit unseres Materials überprüfen. Ziel ist es, möglichst rasch einen Prototyp zu entwickeln und diesen unter klinischen Bedingungen zu testen", sagt Prof. Ivan Minev, der die Professur Electronic Tissue Technologies am Else Kröner Fresenius Zentrum (EKFZ) für Digitale Gesundheit an der TUD sowie dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden leitet.

In einem ersten Schritt arbeitet das Team von Prof. Minev im Projekt COATARRAY bereits mit Neurochirurgen des Dresdner Universitätsklinikums zusammen. Bestehende Elektroden für die Tiefe Hirnstimulation sollen auf Basis des neuen Materials weiterentwickelt werden.

Beteiligte Forschungseinrichtungen und Förderung

Die Professur Electronic Tissue Technologies ist am EKFZ für Digitale Gesundheit an der TUD sowie dem Leibniz-Institut für Polymerforschung (Leibniz-IPF) Dresden angesiedelt. An der Forschung waren außerdem Wissenschaftler des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (DC-IAPP), des Zentrums für Regenerative Therapien (CRTD) an der TUD sowie dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam beteiligt. Gefördert wurden die Arbeiten vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

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Quelle: Technische Universität Dresden