Nuevo semiconductor de hidrogel para conseguir una mejor bioelectrónica

El material ideal para interconectar la electrónica con el tejido vivo es blando, elástico y tan amante del agua como el propio tejido: en resumen, un hidrogel.

Los semiconductores, los materiales clave para la bioelectrónica, como los marcapasos, los biosensores y los dispositivos de administración de fármacos, por otro lado, son rígidos, frágiles y odian el agua, imposibles de disolver en la forma en que se han construido tradicionalmente los hidrogeles.

Un artículo de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago ha resuelto este desafío que ha frustrado durante mucho tiempo a los investigadores, reimaginando el proceso de creación de hidrogeles para construir un semiconductor poderoso en forma de hidrogel.

Dirigido por el grupo de investigación del profesor adjunto Sihong Wang, el resultado es un gel azulado que revolotea como una medusa marina en el agua, pero conserva la inmensa capacidad semiconductora necesaria para transmitir información entre el tejido vivo y la máquina.

El material demostró módulos a nivel de tejido tan blandos como 81 kPa, capacidad de estiramiento de 150% de deformación y movilidad del portador de carga de hasta 1,4 cm2 V-1 s-1.

Esto significa que su material, que es semiconductor e hidrogel al mismo tiempo, cumple todos los requisitos para una interfaz bioelectrónica ideal.

“Al fabricar dispositivos bioelectrónicos implantables, un desafío que se debe abordar es hacer un dispositivo con propiedades mecánicas similares a las de los tejidos“, dijo Yahao Dai, el primer autor del nuevo artículo.

“De esa manera, cuando se interconecta directamente con el tejido, pueden deformarse juntos y también formar una biointerfaz muy íntima”.

Aunque el artículo se centró principalmente en los desafíos que enfrentan los dispositivos médicos implantados, como los sensores bioquímicos y los marcapasos, Dai dijo que el material también tiene muchas aplicaciones no quirúrgicas potenciales, como mejores lecturas de la piel o un mejor cuidado de las heridas.

“Tiene propiedades mecánicas muy blandas y un alto grado de hidratación similar al tejido vivo“, dijo el profesor adjunto de PME de UChicago Sihong Wang.

“El hidrogel también es muy poroso, por lo que permite el transporte por difusión eficiente de diferentes tipos de nutrientes y sustancias químicas.

Todas estas características se combinan para hacer que el hidrogel sea probablemente el material más útil para la ingeniería de tejidos y la administración de fármacos”.

La forma típica de hacer un hidrogel es tomar un material, disolverlo en agua y agregar los químicos gelificantes para hacer que el nuevo líquido se convierta en un gel.

Algunos materiales simplemente se disuelven en agua, otros requieren que los investigadores modifiquen químicamente el proceso, pero el mecanismo central es el mismo: sin agua, no hay hidrogel.

Sin embargo, los semiconductores normalmente no se disuelven en agua.

En lugar de encontrar nuevos medios que consumen mucho tiempo para intentar forzar el proceso, el equipo de PME de UChicago reexaminó la cuestión.

“Comenzamos a pensar: ‘Bien, cambiemos nuestra perspectiva’, y se nos ocurrió un proceso de intercambio de solvente”, dijo Dai.

En lugar de disolver los semiconductores en agua, los disolvieron en un solvente orgánico que es miscible con agua.

Luego prepararon un gel a partir de los semiconductores disueltos y los precursores de hidrogel. En un principio, su gel era un organogel, no un hidrogel.

“Para convertirlo finalmente en un hidrogel, sumergimos todo el sistema de materiales en el agua para dejar que el disolvente orgánico se disolviera y dejara entrar el agua“, dijo Dai.

Un beneficio importante de este método basado en el intercambio de disolventes es su amplia aplicabilidad a diferentes tipos de semiconductores de polímeros con diferentes funciones.

El semiconductor de hidrogel, que el equipo ha patentado y está comercializando a través del Centro Polsky para el Emprendimiento y la Innovación de la Universidad de Chicago, no es una fusión de un semiconductor con un hidrogel.

Es un material que es semiconductor e hidrogel al mismo tiempo.

“Es solo una pieza que tiene propiedades semiconductoras y diseño de hidrogel, lo que significa que toda esta pieza es como cualquier otro hidrogel“, dijo Wang.

Sin embargo, a diferencia de cualquier otro hidrogel, el nuevo material en realidad mejoró las funciones biológicas en dos áreas, creando mejores resultados que los que el hidrogel o el semiconductor podrían lograr por sí solos.

En primer lugar, el hecho de que un material muy blando se una directamente al tejido reduce las respuestas inmunitarias y la inflamación que se desencadenan normalmente cuando se implanta un dispositivo médico.

En segundo lugar, debido a que los hidrogeles son tan porosos, el nuevo material permite una respuesta de biodetección elevada y efectos de fotomodulación más fuertes.

Como las biomoléculas pueden difundirse en la película para tener interacciones volumétricas, los sitios de interacción para los biomarcadores que no se detectan aumentan significativamente, lo que da lugar a una mayor sensibilidad.

Además de la detección, las respuestas a la luz para funciones terapéuticas en las superficies de los tejidos también aumentan gracias al transporte más eficiente de especies activas redox.

Esto beneficia a funciones como los marcapasos que funcionan con luz o los apósitos para heridas que se pueden calentar de manera más eficiente con un destello de luz para ayudar a acelerar la curación.

“Es una combinación del tipo ‘uno más uno es mayor que dos'”, bromeó Wang.

Fuente: Science