Die Bioelektronik wird mit einem neuartigen Ansatz aufgerüstet, um stabilere, elektrisch effizientere Geräte zu schaffen

Associate Professor Bozhi Tian mit den Doktoranden Aleksander Prominski und Lingyuan Meng. Kredit: University of Chicago

Forscher der University of Chicago haben einen neuen Ansatz zur Entwicklung kohlenstoffbasierter bioelektronischer Geräte patentiert, die eine Vielzahl von Anwendungen in der Wirkstoffabgabe, Substanzdetektion und Organmodulation haben.

Zu den ersten bioelektronischen Geräten, die eine breite klinische Anwendung gefunden haben, gehören Herzschrittmacher und Cochlea-Implantate. Diese Vorrichtungen waren jedoch in der Vergangenheit sperrig, starr und mechanisch invasiv für Zellen und Gewebe. Es besteht ein Bedarf an kleineren, flexibleren Geräten, um die Leistung dieser und zukünftiger Geräte zu verbessern.

Bozhi Tian, ​​außerordentlicher Professor am Department of Chemistry und der University of Chicago, hat dieses Thema aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht und arbeitet in seinem Labor daran, zelluläres Verhalten mithilfe von Halbleiter-Nanomaterialien zu imitieren und bestehende biologische Systeme mit Halbleiterkomponenten zu erweitern. Das Labor arbeitet auch ständig an der Entwicklung neuer biophysikalischer Werkzeuge zum Verständnis der subzellulären Dynamik – der Gelenkigkeit, der Fähigkeit, lebende Zellen in Echtzeit zu kontrollieren.

„In der Vergangenheit hat sich unser Labor hauptsächlich auf Halbleiter wie Silizium und Siliziumkarbid konzentriert, die viele interessante elektronische Eigenschaften aufweisen“, erklärt Bozhi Tian, ​​der mehrere Patente im Zusammenhang mit Halbleitern besitzt. Da Silizium jedoch einige Nachteile hat, beispielsweise Probleme mit der Stabilität, entschied sich das Team, sich auf ein anderes Material zu konzentrieren: Kohlenstoff.

Das Projekt, das drei Jahre dauerte, erforderte von allen Seiten erhebliche Anstrengungen, sagte Lingyuan Meng, ein Ph.D. Student in Tians Labor. „Wir haben alle an den meisten Experimenten zusammengearbeitet und ich war von Anfang bis Ende beteiligt, einschließlich der Bottom-up-Fertigung der kohlenstoffbasierten bioelektronischen Geräte, biologischer Experimente und der Datenanalyse“, sagte sie.

Heute gipfelte die Arbeit in einem neuen Patent für einen neuartigen Ansatz zur Herstellung kohlenstoffbasierter bioelektronischer Geräte. Das Verfahren ist hochgradig skalierbar, da die Geräte, wie Tian sagte, schnell, effizient und zu geringen Kosten hergestellt werden können und über längere Zeiträume ohne Bedenken hinsichtlich der Verschlechterung verwendet werden können.

Darüber hinaus führt der Ansatz zu einem monolithischen Material, was bedeutet, dass kein Polymerbindemittel erforderlich ist, was oft zu sperrigeren Geräten führt. Es ist auch weniger wahrscheinlich, dass diese Art von Material für Zellen toxisch ist, verglichen mit anderen derzeit untersuchten Formen von Kohlenstoff, sagte Aleksander Prominski, ein Ph.D. Student in Tians Labor, der sagte, die Studie über kohlenstoffbasierte Bioelektronik habe versucht, die Frage zu beantworten, wie biokompatible Materialien entwickelt werden könnten, die auch stabil und elektrisch effizient sind.

Mit dem patentierten Ansatz können die Forscher Geräte herstellen, die nicht nur monolithisch, sondern auch flexibel, leitfähig und vor allem biokompatibel sind. „Wir haben gezeigt, dass hierarchische Kohlenstoffmembranen hochwertige Schnittstellen zu biologischen Strukturen bilden und Modulationen von Zellen, Geweben und Nerven ermöglichen“, erklärt Prominski.

Mit potenziellen Anwendungen in der Biophysik und im Tissue Engineering wurden das patentierte Material und die Vorrichtung erfolgreich eingesetzt, um Zellen in vitro oder in einer Kulturschale zu stimulieren. In den nächsten Schritten soll das Gerät im Tiermodell getestet werden.

„In unserem Körper kommunizieren Zellen und Gewebe über Ionen, also haben wir uns entschieden, diese Ionen mit diesem elektrochemischen Gerät zu manipulieren. Die Grundidee besteht darin, das Material zum Anziehen und Abstoßen von Ionen zu verwenden“, erklärte Tian. “Unsere Gewebe sind sehr kompliziert, sie kommunizieren nicht nur chemisch, sondern elektrisch.”

Diese Komplexität ermöglicht es Forschern jedoch, Krankheiten sowohl chemisch mit Arzneimitteln als auch elektrisch mit Geräten zu behandeln, wie sie in Tians Labor entwickelt werden. Bei der Anwendung dieser zweigleisigen, elektrochemischen Methode „verpasst man keinen möglichen Ansatz zur Heilung oder Reparatur von Schäden“, sagte Tian.

Bioelektronik und mehr

Die Forscher haben verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für die Geräte demonstriert, die auch flexible elektrische Sensor- oder Aufzeichnungsfunktionen beinhalten können. Zu seinen möglichen Anwendungen gehören die Modulation der Kontraktionsrate von Herzzellen auf die Zielfrequenz, die Kontrolle der elektrischen Eigenschaften von isoliertem Herz- und Netzhautgewebe und die Stimulierung von Ischiasnerven.

“Die effiziente Stimulation von Herzen und Nerven zeigt das Potenzial für die Anwendung dieses Materials in bioelektronischen Implantaten”, fügte Prominski hinzu. Meng merkte auch an, dass die Plattform möglicherweise auch in der Energieforschung oder als implantierbares Leistungselement verwendet werden könnte.

„Die Bioelektronik ist ein stark interdisziplinäres Gebiet und kommt Techniken in den Physik- und Biowissenschaften zugute, indem sie neue Einblicke in das grundlegende wissenschaftliche Verständnis und eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen ermöglicht“, sagte Meng, die ihre Forschung auf die Verwendung synthetischer Materialien für zelluläre und intrazelluläre konzentriert Biomodulationen.

Derzeit arbeitet sie an zwei unabhängigen Projekten, darunter die Entwicklung aktiver Biomaterialien zur Aktivierung und Modulation von T-Zellen und chimären Antigenrezeptor(CAR)-T-Zellen-Signalgebung und -Funktionen. Diese Arbeit könnte erhebliche Auswirkungen auf die Krebsprävention und -behandlung haben.

“Mein zweites Projekt konzentriert sich auf die elektrische Modulation von Exosomen in lebenden Zellen, eine Art Erweiterung dieses Bioelektronik-Projekts auf die subzelluläre Ebene”, fügte Meng hinzu, die sagte, dass sie die Veränderungen auf subzellulärer Ebene in Zellen erforschen möchte, wie z die Exosomenprofile, während der elektrischen Stimulation mit Geräten, die in Tians Labor entwickelt wurden.

Auch Prominski verfolgt seine Forschungen in zwei Hauptrichtungen. “Mein erstes Projekt konzentriert sich auf die Materialchemie und ich studiere, wie Oberflächen-Nanotechnik angewendet werden kann, um effiziente Optostimulationsmaterialien zu entwickeln”, sagte er. Diese Materialien könnten für Herzschrittmacher und neurale Stimulation verwendet werden und haben viele vielversprechende klinische Anwendungen, wie zum Beispiel injizierbare temporäre Herzschrittmacher und Sonden für die tiefe Hirnstimulation.

Sein zweites Projekt bezieht sich auf die Zellphysiologie – mit dem Ziel, fortschrittliche Echtzeit-Bildverarbeitung zu entwickeln und bioelektronische Experimente zu automatisieren. „Derzeit entwerfe ich ein intelligentes und automatisiertes Computersystem, das autonome bioelektronische Experimente auf Zeitskalen durchführen kann, die für den menschlichen Experimentator nicht praktikabel sind“, erklärte er. Das System enthält modernste Algorithmen für maschinelles Sehen und maschinelle Intelligenz.

“Ich glaube, dass meine Studien uns ermöglichen werden, neuartige bioelektronische Experimente durchzuführen, die unser Verständnis biologischer Systeme erweitern und neue Entwicklungen im Zell- und Gewebe-Engineering unterstützen”, erklärte Prominski.

In Zukunft erweitert Prominski seine Forschungen mit Tian und Meng, um zu versuchen, ein besseres Modell dafür zu erstellen, wie nanostrukturierte Elektronik mit Zellen und Geweben koppelt und welche Signalwege aktiviert werden. Ziel ist es, neue Methoden des Tissue Engineering zu ermöglichen.

“Die Überwindung der Kosten und Risiken, die mit der Implantation invasiver Geräte verbunden sind, wird die weit verbreitete Anwendung elektronischer Implantate bei Patienten für eine bessere Überwachung und therapeutische Interventionen in der zukünftigen personalisierten Medizin ermöglichen”, sagte Prominski.


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