Исследователи из Японии разработали органические гибкие и влажные электроды. Новые биосовместимые электроды состоят из токопроводящих полимеров, пронизывающих гидрогель; электроды способны работать при высокой влажности до месяца, что дает возможность применять их в биологических и медицинских исследованиях.

Производство дешевых и эффективных электродов, способных работать в биологических системах, критически важно для разработки имплантируемых медицинских устройств или для слежения за активности клеток. Для получения таких электродов потенциально могут применяться токопроводящие полимеры, как, например, поли-3,4-этилендиокситиофен [ – poly(3,4-ethylenedioxythiophene) – PEDOT], однако до настоящего времени их было практически невозможно закрепить на подходящих субстратах-носителях.

Рис. 1. Для получения электрода применяется простой двустадийный процесс. Ниже показан двусторонний электрод из гидрогеля. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2010. DOI: 10.1021/ja1062357).

В настоящее время проводящие полимеры наносят на поверхность с помощью печати «чернилами» из жидкого полимера, эти «чернила» должны просохнуть, но этот процесс невозможен на влажных поверхностях, в том числе – и гидрогелях. Для решения этой проблемы Мацухико Нисизава (Matsuhiko Nishizawa) из Университета Тогоку разработал новую систему, которую можно получить двустадийным методом, одним из этапов которого является электрополимеризация.

В ходе нового процесса применяется платиновый мастер-электрод, на который наносится агарозный гель толщиной в 2 мм. На систему, погруженную в водный раствор мономера для получения поли-3,4-этилендиокситиофена, подается электрический потенциал, в результате чего в точке контакта гидрогеля с платиновым мастер-электродом образуется тонкий слой поли-3,4-этилендиокситиофена.

Дальнейшая трудность, с преодолнием которой столкнулись японские исследователи, заключалась в том, что необходимо было отделить таблетку гидрогеля от платины, не поврежда гидрогель; для этого Нисизава использовал естественное электрохимическое поведение поли-3,4-этилендиокситиофена.

Обратимое окисление и восстановление поли-3,4-этилендиокситиофена приводило к сжатию и расширению гидрогеля, а изменение объема гидрогеля способствовало частичному отслаиванию гидрогеля от платиновой пластины. Повторение циклов окисление-восстановление позволяет полностью отделить таблетку гидрогеля от электрода.

Исследователи из группы Нисизавы уверены, что предложенная ими общая стратегия может быть использована для получения более сложных систем, они предполагают, что таким методом можно будет нанести проводящие полимеры и на другие гели, как, например, коллаген и фибрин. Исследователи предполагают, что результаты исследования смогут найти применение в системах прямой электрической стимуляции мышечной ткани.

Кристин Шмидт, эксперт по биомедицинской инженерии из Университета Техас в Остине высоко оценивает результаты исследования, отмечая, что работа является наглядной демонстрацией того, как простой подход, позволяя сэкономить время и ресурсы, дает возможность получать имплантируемые сенсоры. Она добавляет, что работа японских исследователей закладывает фундамент для создания «гибких» гидрогелевых сенсоров, которые могут более эффективно взаимодействовать как с мягкими и сокращающимися тканями, так и с отдельными клетками.

По материалам: