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  • Equipe de pesquisa produz hidrogel extremamente condutor para aplicações médicas

    O hidrogel eletricamente condutor pode ser usado para implantes que podem liberar substâncias ativas médicas de uma maneira controlada para tratar certas doenças cerebrais. Crédito:Christine Arndt

    Devido às suas propriedades mecânicas semelhantes às do tecido, os hidrogéis estão sendo cada vez mais usados ​​para aplicações biomédicas; um exemplo bem conhecido são as lentes de contato gelatinosas. Esses polímeros semelhantes a gel consistem em 90 por cento de água, são elásticos e particularmente biocompatíveis. Os hidrogéis que também são eletricamente condutores permitem campos adicionais de aplicação, por exemplo, na transmissão de sinais elétricos no corpo ou como sensores. Uma equipe de pesquisa interdisciplinar do Grupo de Treinamento em Pesquisa (RTG) 2154 "Materiais para o Cérebro" da Universidade de Kiel (CAU) desenvolveu agora um método para produzir hidrogéis com um excelente nível de condutividade elétrica. O que torna este método especial é que as propriedades mecânicas dos hidrogéis são mantidas em grande parte. Dessa forma, eles podem ser particularmente adequados, por exemplo, como um material para implantes médicos funcionais, que são usados ​​para tratar certas doenças cerebrais. As descobertas do grupo foram publicadas em 16 de março, 2021 na prestigiosa revista Nano Letras .

    "A elasticidade dos hidrogéis pode ser adaptada a vários tipos de tecido no corpo e até mesmo à consistência do tecido cerebral. É por isso que estamos particularmente interessados ​​nesses hidrogéis como materiais de implante, "explica a cientista de materiais Margarethe Hauck, pesquisador doutorado em RTG 2154 e um dos principais autores do estudo. Como tal, a colaboração interdisciplinar de materiais e cientistas médicos se concentra no desenvolvimento de novos materiais para implantes, por exemplo, para a liberação de substâncias ativas para tratar doenças cerebrais, como epilepsia, tumores ou aneurismas. Os hidrogéis condutores podem ser usados ​​para controlar a liberação de substâncias ativas, a fim de tratar certas doenças localmente de uma forma mais direcionada.

    A fim de produzir hidrogéis eletricamente condutores, hidrogéis convencionais são geralmente misturados com nanomateriais condutores de corrente que são feitos de metais ou carbono, como nanofios de ouro, grafeno ou nanotubos de carbono. Para atingir um bom nível de condutividade, uma alta concentração de nanomateriais é freqüentemente necessária. Contudo, isso altera as propriedades mecânicas originais dos hidrogéis, como sua elasticidade, e, portanto, impacta sua interação com as células circundantes. "As células são particularmente sensíveis à natureza de seu ambiente. Elas se sentem mais confortáveis ​​com materiais ao seu redor cujas propriedades correspondem o mais próximo possível ao ambiente natural do corpo, "explica Christine Arndt, pesquisador doutorado no Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Kiel e também autor principal do estudo.

    O hidrogel é riscado com microcanais ultraleves, grafeno eletricamente condutor. Crédito:Irene Wacker

    O método de produção requer menos grafeno do que as abordagens anteriores

    Em estreita colaboração com vários grupos de trabalho, a equipe de pesquisa foi agora capaz de desenvolver um hidrogel que apresenta uma combinação ideal:não é apenas eletricamente condutor, mas também mantém seu nível original de elasticidade. Para a condutividade, os cientistas usaram grafeno, um material que já foi utilizado em outras abordagens de produção. "O grafeno tem excelentes propriedades elétricas e mecânicas e também é muito leve, "diz o Dr. Fabian Schütt, líder de grupo júnior no Grupo de Treinamento em Pesquisa, enfatizando assim as vantagens do material ultrafino, que consiste em apenas uma camada de átomos de carbono. O que torna este novo método diferente é a quantidade de grafeno usada. "Estamos usando significativamente menos grafeno do que estudos anteriores, e como resultado, as principais propriedades do hidrogel são mantidas, "diz Schütt sobre o estudo atual, que ele iniciou.

    Para atingir esse objetivo, os cientistas cobriram uma fina estrutura de estrutura de micropartículas de cerâmica com flocos de grafeno. Em seguida, eles adicionaram o hidrogel poliacrilamida, que incluiu a estrutura da estrutura, que foi finalmente gravado. O fino revestimento de grafeno no hidrogel não é afetado por este processo. Todo o hidrogel agora é riscado com microcanais revestidos de grafeno, semelhante a um sistema nervoso artificial.

    Imagens 3D especiais do Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) demonstram a condutividade altamente eletrônica do sistema de canais:"Devido a uma infinidade de conexões entre os tubos de grafeno individuais, sinais elétricos sempre encontram seu caminho através do material e o tornam extremamente confiável, "diz o Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Chefe do Departamento de Imagens e Ciência de Dados da HZG e membro associado do RTG. Com a ajuda de raios X de alta intensidade, o matemático obteve as imagens em um curto espaço de tempo na linha de luz de imagem operada pelo HZG no anel de armazenamento PETRA III no Deutsche Elektronensynchrotron DESY. E a rede tridimensional tem ainda outra vantagem:sua extensibilidade permite uma adaptação relativamente flexível ao seu ambiente.

    Cada cor indica um microcanal conectado:a imagem da tomografia do microcomputador mostra claramente como os canais individuais estão interligados - e, portanto, com que segurança os sinais elétricos podem fluir por todo o material. Crédito:Berit Zeller-Plumhoff / HZG

    Outros campos de aplicação em biomedicina e robótica leve

    “Com as colaborações entre diferentes grupos de trabalho, o RTG oferece condições ideais para questões de pesquisa biomédica que requerem uma abordagem interdisciplinar, "diz Christine Selhuber-Unkel, primeiro porta-voz do RTG e agora professor de Engenharia de Sistemas Moleculares na Universidade de Heidelberg. "Este é um campo complexo de pesquisa, pois combina ciência de materiais e medicina e deve se desenvolver enormemente nos próximos anos, enquanto a demanda nacional e internacional por especialistas qualificados aumentará - e é para isso que queremos preparar nossos pesquisadores de doutorado da melhor maneira possível, "adiciona seu sucessor Rainer Adelung, Professor de Nanomateriais Funcionais na Kiel University e porta-voz do RTG desde 2020.

    No futuro, várias aplicações adicionais do novo hidrogel condutor são possíveis:Margarethe Hauck planeja desenvolver um hidrogel que reage a pequenas mudanças de temperatura e pode liberar substâncias ativas no cérebro de maneira controlada. Christine Arndt está trabalhando em como os hidrogéis eletricamente condutores podem ser usados ​​como robôs biohíbridos. A força que as células exercem em seu ambiente pode ser usada aqui para acionar sistemas robóticos miniaturizados.


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