Souhrn
Vědecký článek popisuje výrobu Janus hydrogelu, který má asymetrické vlastnosti na obou stranách díky duálním gradientům struktury a složení. Tyto gradienty vznikají v jednom kroku prostřednictvím mechanismu molekulární konkurence indukovaného UV světlem, což umožňuje lepší adhezi a vodivost pro bioelektronické aplikace. Hydrogel slouží jako rozhraní pro elektroceutickou modulaci, například léčbu zranění břišní stěny, a sběr elektrofyziologických signálů.
Klíčové body
- Výroba v jednom kroku pomocí UV světla, které spouští kompetitivní polymerizaci mezi různými monomery.
- 14,6násobný rozdíl v adhezi mezi stranami díky směrované migraci adhezivních skupin.
- Samouspořádaná vodivá síť z polypyrrolu na adhezivní straně pro mechanicko-elektrickou kopulaci.
- Aplikace v elektroceutice pro modulaci zranění a sběr signálů.
- Univerzální metoda pro bioadaptivní rozhraní.
Podrobnosti
Janus hydrogel je materiál s odlišnými vlastnostmi na obou površích, podobně jako dvouhlavá mince, což je v bioelektronice klíčové pro rozhraní mezi tkáněmi a elektronikou. Tradiční výroba takových hydrogelů je složitá, s špatnou kontrolou asymetrie a slabými spoji mezi vrstvami, což vede k prokluzu a selhání. Autoři článku tento problém řeší mechanismem Molecular Competition Induction, kde unilaterální UV světlo spouští kompetitivní reakce mezi různými monomery. Tyto reakce probíhají spatiotemporalně, tedy v čase a prostoru postupně, což vede k heterogenní distribuci polymerových segmentů a tvorbě gradientů.
Během polymerizace dochází k programované směrované (nahoru) migraci adhezivních skupin, což vytváří pevné rozhraní s 14,6násobným rozdílem v adhezi oproti druhé straně. Na adhezivní straně se následně samouspořádá vzorovaná vodivá percolativní síť z polypyrrolu, což je vodivý polymer používaný pro bioelektronické senzory a stimulátory. Tato konfigurace umožňuje robustní obousměrnou bioelektrickou transdukci prostřednictvím mechanicko-elektrické kopulace: mechanické deformace hydrogelu generují elektrické signály a naopak elektrická stimulace ovlivňuje mechanické vlastnosti.
V experimentech byl hydrogel testován na modulaci zranění břišní stěny, kde elektroceutická stimulace urychluje hojení tím, že ovlivňuje buněčné procesy elektrickými impulsy. Zároveň slouží k akvizici elektrofyziologických signálů z tkání. Data jsou dostupná v článku a suplementech, reference zahrnují předchozí práce jako 3D tisk vodivých hydrogelů nebo monolitická biointerface. Tato metoda je jednodušší než vícekrokové postupy a univerzální pro různé monomery.
Proč je to důležité
Tento výzkum přispívá k vývoji bioadaptivních rozhraní v bioelektronice, kde je klíčová kompatibilita s tkáněmi bez zánětu nebo odmítnutí. V širším kontextu se zapojuje do trendu elektroceutik, které nahrazují farmaka elektrickou stimulací pro léčbu chronických onemocnění, jako jsou zranění nebo neurologické poruchy. Oproti rigidním implantátům nabízí hydrogel měkkost a pružnost podobnou tkáním, což snižuje rizika. Pro průmysl znamená snadnější výrobu potenciál pro skalovatelné senzory v protézách nebo wearables pro monitorování zdraví. Nicméně zatím jde o laboratorní prototyp, chybí dlouhodobé in vivo testy a klinické validace, což je standardní pro vědecký výzkum v této oblasti.
Zdroj: 📰 Nature.com
