Dehnbares, elektrisch leitfähiges & biokompatibles Material entwickelt – Die Revolution der Elektroden in der Medizintechnik?

Elektroden besitzen in der Medizintechnik einen durchaus signifikanten Stellenwert, da diese für die Erfassung und Weiterleitung sämtlicher elektrischen Biosignale des menschlichen Körpers erforderlich sind. Bisherige Elektroden besitzen jedoch eine Problematik: deren Starrheit! Wissenschaftler der Stanford University haben nun jedoch ein elektrisch leitfähiges, biokompatibles und elastisches Material entwickelt, welches die Zukunft für flexible Elektronik und dehnbare Elektroden bedeuten könnte.

Hintergedanken – wozu könnte ein solches Material nützlich sein?

Medizinische Elektroden werden neben der Signalerfassung allerdings auch für gegenteilige Anwendungen, also der Elektro-Stimulation, eingesetzt. Wobei je nach Einsatz- und Anwendungsgebiet unterschiedlichste Typen, Formen und Materialien verwendet werden. Eine signifikante Reduktion der Starrheit, beziehungsweise eine Steigerung der Flexibilität blieb bis dato jedoch aus.

Dies führt vor allem bei Elektroden deren Anwendungsgebiet im menschlichen Gehirn liegt oftmals zu Problemen. Yue Wang, eine Autorin des Artikels „A highly stretchable, transparent, and conductive polymer“ sagt, dass sich das Volumen des menschlichen Gehirns während eines Tagesablaufs verändert, da es anschwillt und abschwillt. Dies verdeutlicht auch schon die Problematik bei der Verwendung aktueller Elektroden für die Anwendung im Gehirn. Da konventionelle Elektroden unflexibel sind, das Volumen des Gehirns jedoch variabel ist, sind diese Elektroden nicht fähig eine konstant gute Verbindung herzustellen. Demgegenüber könnten sich flexible Elektroden der Oberfläche des Gehirns anpassen und so eine permanente Konnektivität aufrechterhalten.

Ursprüngliches Material und die Entwicklung des flexiblen, biokompatiblen und elektrisch leitfähigen Kunststoffs.

Das Ziel von Zhenan Bao, Professorin für Verfahrenstechnik, und ihrem Team war es, ein Material zu entwickeln, welches ähnlich flexibel ist wie ein Gummiband jedoch leitfähig ist wie ein Kabel. Als Ausgangsprodukt für deren Entwicklung wählten die Forscher/innen der Stanford University den Kunststoff poly(3,4-ethylenediVidoxythiophene):poly(styrenesulfonate) kurz (PEDOT:PSS). Dieser kann aufgrund seiner Biokompatibilität problemlos und ohne Sicherheitsrisiken in den Körper eingebracht werden und weist zudem, ungewöhnlicher Weise für Kunststoffe, eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Die „einzige“ Schwäche dieses Materials ist jedoch deren Sprödigkeit.

Da die Flexibilität des Kunststoffs gesteigert werden sollte, man jedoch gleichzeitig eine Reduktion der Leitfähigkeit von PEDOT:PSS vermeiden wollte, kooperierten Zhenan Bao und ihr Team mit Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Laboratory um die Materialeigenschaften detaillierter erfassen zu können. Dazu wurde ein spezielles Röntgengerät verwendet, um das Material auf Molekularebene zu analysieren. Der Kunststoff PEDOT:PSS besteht prinzipiell aus zwei unterschiedlichen Polymeren, wobei eines als elektrischer Leiter dient, während das zweite Polymer ein essentieller Bestandteil des Herstellungsprozesses von Kunststoff ist. Die Forscher/innen vermuteten, dass sie mit Hilfe des entsprechenden Additivs diese unterschiedlichen Polymere auftrennen und eine Kristallisierung verhindern können, um somit die Elastizität des Materials zu steigern.

Um das entsprechende Additiv zu finden welches die gewünschte Wirkung aufweist, wurden mehr als 20 unterschiedliche molekulare Additive getestet und bewertet. Schlussendlich führte ein Molekül, welches einem Verdickungsmittel von Suppen gleicht, zum gewünschten Erfolg da es den Kristallisationsprozess der Polymere unterbricht und den leitfähigen Kunststoff dadurch dehnbar macht.

Die Resultate sind erstaunlich – nun kann man sich auf die Marktreife freuen!

Das folgende Bild zeigt das innovative Elektrodenmaterial aus Kunststoff, wobei die beiden oberen Bilder die extreme Dehnbarkeit des Materials zeigen. Die unteren Abbildungen zeigen die transparente und dehnbare Elektrode während diese beispielhaft vollflächig auf der Haut angebracht ist um Biosignale zu erfassen.

Bildquelle: http://www.kurzweilai.net/a-biocompatible-stretchable-material-for-brain-implants-and-electronic-skin

Die Ergebnisse von Wang und ihrem Team konnten alle Ziele und Erwartungen erfüllen beziehungsweise diese sogar übersteigen. Der Artikel von Wang et al. zeigt, dass die Leitfähigkeit bei einer Verdopplung der ursprünglichen Länge sogar minimal höher ist, als in der Ausgangslage. Zusätzlich konnte bewiesen werden, dass die Leitfähigkeit zumindest bis zu einer Belastung von 600% erhalten bleibt und die generelle Belastungsgrenze ungefähr bei 800% liegt.

Hier könnt ihr euch von der Dehnbarkeit dieses neuen Materials selbst überzeugen!

Video: https://www.youtube.com/watch?v=pKzjwxwvmdE

 

Quellen:

[1] „A biocompatible stretchable material for brain implants and ‘electronic skin’ | KurzweilAI“, Kurzweilai.net, 2017. [Online]. Available: http://www.kurzweilai.net/a-biocompatible-stretchable-material-for-brain-implants-and-electronic-skin. [Accessed: 15- Mar- 2017].

[2] „So long stiffness: Stanford engineers use soup additive to create a stretchable plastic electrode“, News.stanford.edu, 2017. [Online]. Available: http://news.stanford.edu/press-releases/2017/03/10/stretchy-electrode-paves-way-flexible-electronics/. [Accessed: 15- Mar- 2017].

[3] F. Knoke, „Wissenschaftler erfinden dehnbare Elektronik mit Suppenzutat – Engadget Deutschland“, Engadget Deutschland, 2017. [Online]. Available: http://de.engadget.com/2017/03/14/wissenschaftler-erfinden-dehnbare-elektronik-mit-suppenzutat/. [Accessed: 15- Mar- 2017].

[4] Y. Wang, C. Zhu, R. Pfattner, H. Yan, L. Jin, S. Chen, F. Molina-Lopez, F. Lissel, J. Liu, N. Rabiah, Z. Chen, J. Chung, C. Linder, M. Toney, B. Murmann and Z. Bao, „A highly stretchable, transparent, and conductive polymer“, Science Advances, vol. 3, no. 3, p. e1602076, 2017.

 

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