Forschenden der Technischen Universität Dresden und des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden ist die Entwicklung eines bioinspirierten Hydrogels gelungen, das weich, elektrisch leitfähig und biologisch aktiv zugleich ist. Das Material kann Botenstoffe binden und diese auf elektrische Impulse hin gezielt freisetzen sowie biologische Parameter wie Sauerstoff messen. Es eröffnet somit neue Möglichkeiten für Implantate und Schnittstellen zwischen biologischen und elektronischen Systemen, insbesondere zur Behandlung von Nervenschäden.

Das Hydrogel ahmt Eigenschaften der natürlichen extrazellulären Matrix nach und kombiniert sie mit dem leitfähigen Polymer PEDOT. Es bleibt wasserbasiert und flexibel, während es elektrische Signale übertragen kann. Die Leitfähigkeit lässt sich durch die Zusammensetzung gezielt einstellen. Experimente zeigten, dass das Material Wachstumsfaktoren bindet und diese durch schwache elektrische Impulse kontrolliert freisetzt, ohne die biologische Aktivität der Stoffe zu beeinträchtigen.

In Zellkulturversuchen führte die elektrisch gesteuerte Freisetzung des Wachstumsfaktors VEGF zur Bildung röhrenartiger Strukturen – ein frühes Stadium der Blutgefäßbildung. Das Hydrogel kann zudem als Sensor dienen: Bei sinkendem Sauerstoffgehalt löst es ein elektrisches Signal aus, das wiederum die Freisetzung von Wachstumsfaktoren steuert und so das Wachstum von Nervenzellen anregen kann.

Die Entwicklung gilt als erster Ansatz, der die weichen mechanischen Eigenschaften biologischen Gewebes mit dessen natürlicher Kommunikation über Biomoleküle und elektrische Impulse verbindet. Künftige Anwendungen sehen die Forscher in verbesserten Elektrodenbeschichtungen, bioelektronischen Bauteilen und Gehirn-Computer-Schnittstellen. Besonders vielversprechend sind smarte Implantate für die Behandlung von Epilepsie oder Parkinson, die Messung und Stimulation mit gezielter Wirkstoffabgabe kombinieren.

Das Team arbeitet bereits im Projekt COATARRAY mit Neurochirurgen des Universitätsklinikums Dresden zusammen, um bestehende Elektroden für die tiefe Hirnstimulation mit dem neuen Material weiterzuentwickeln. Nächste Schritte sind die Prüfung der langfristigen Stabilität, Biokompatibilität und Leistungsfähigkeit unter klinischen Bedingungen.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht. An der Forschung waren neben der Professur für Electronic Tissue Technologies am Else Kröner Fresenius Zentrum für Digitale Gesundheit und dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden auch Wissenschaftler des Zentrums für Regenerative Therapien Dresden, des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials sowie des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam beteiligt. Gefördert wurden die Arbeiten vom Europäischen Forschungsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Original Paper:

Conductive Hydrogels for Exogenous Sensing and Cell Fate Control – Akbar – Advanced Materials – Wiley Online Library

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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