Uma nova receita para fazer hidrogéis fornece um materials que é flexível e semicondutor – propriedades desejadas para interfaces em dispositivos médicos implantáveis.
J. Zich/Universidade de Chicago
O semicondutor de hidrogel desenvolvido por Wang e colaboradores é elástico e macio, como tecidos vivos.
J. Zich/Universidade de Chicago
O semicondutor de hidrogel desenvolvido por Wang e colaboradores é elástico e macio, como tecidos vivos.
Uma interface bioeletrônica forma uma conexão entre tecidos vivos e dispositivos implantáveis, como monitores de glicose para diabéticos e marca-passos para pacientes cardíacos. Um dos principais desafios na criação de tais interfaces é encontrar materiais que possam fornecer uma coleta de dados precisa, ao mesmo tempo que sejam adequados ao ambiente macio e aquoso do corpo. Anteriormente, os cientistas tentaram construir essas interfaces com polímeros semicondutores, mas esses materiais eletrônicos geralmente são muito rígidos. Existem opções mais suaves, como certos plásticos e géis, mas muitas vezes carecem do desempenho elétrico dos semicondutores. Agora, Sihong Wang, da Universidade de Chicago, e seus colaboradores desenvolveram um semicondutor de hidrogel que fornece as propriedades eletrônicas desejadas em um materials biocompatível.1).
Hidrogéis são materiais poliméricos feitos pela ligação de polímeros que gostam de água, como celulose e ácido poliacrílico. Na água, esta rede interligada aumenta, com H2O moléculas preenchendo os espaços entre as fibras poliméricas. Os hidrogéis são amplamente utilizados na bioengenharia devido à sua flexibilidade e permeabilidade ao oxigênio e outros nutrientes químicos. No entanto, o seu conteúdo rico em água representa uma barreira para a fabricação de hidrogéis semicondutores. “Quase todos os polímeros semicondutores são insolúveis em água”, diz Wang, o que significa que não se integram facilmente no hidrogel. Wang e colegas resolveram esse atoleiro dissociando as etapas de reticulação e de inchaço da água na preparação do hidrogel.
Em vez de usar água como líquido base, os pesquisadores começaram com um solvente orgânico, no qual dissolveram polímeros semicondutores com cadeias laterais hidrofílicas junto com ingredientes de hidrogel (monômeros de hidrogel e reticulantes que iniciam a hidrogelação). Quando expostos à luz ultravioleta, os ingredientes do hidrogel se reuniram em uma rede interconectada, formando um gel, enquanto os polímeros semicondutores ficaram presos na rede do hidrogel. Quando uma folha deste gel foi mergulhada em água, a água entrou e forçou a saída do solvente orgânico. Após a troca de solvente, o gel se transformou em um hidrogel altamente extensível e azulado com consistência de gelatina. Os polímeros semicondutores, insolúveis em água, precipitaram rapidamente e montaram-se numa rede percolada dentro da matriz de hidrogel. O materials resultante period um semicondutor, mas que mantinha a flexibilidade dos hidrogéis tradicionais.
A alta interconectividade dos aglomerados semicondutores no novo materials explica como as cargas elétricas podem se mover facilmente através dele. Os aglomerados exibiram ordem em distâncias curtas, mas não formaram uma estrutura rígida e de longo alcance como normalmente acontece com processos normais de fabricação. Os investigadores sugerem que esta falta de ordem de longo alcance é uma consequência da rápida precipitação e resistência da rede de hidrogel já instalada.
Os pesquisadores mediram a mobilidade do portador de carga através do hidrogel e encontraram um valor de 1,4 cm2 V−1 é−1o que é baixo em comparação com semicondutores de estado sólido comuns que possuem mobilidades de cerca de 1000 cm2 V−1 é−1. “(Embora) não tenha um desempenho tão alto quanto o silício, ainda é suficiente para muitas aplicações de biointerface”, diz Wang. Na verdade, o semicondutor de hidrogel tem um desempenho eletrônico comparável a outros semicondutores poliméricos, mas a suavidade do hidrogel está mais próxima da dos tecidos vivos. O hidrogel também é poroso, o que pode facilitar modificações na sua química para aplicações específicas.
Os pesquisadores testaram a biocompatibilidade de seu novo materials colocando implantes semicondutores de hidrogel em ratos e monitorando a resposta imunológica durante um período de quatro semanas. Uma das principais preocupações com os dispositivos implantáveis é a resposta a corpo estranho, na qual o sistema imunológico tenta isolar o implante atrás de uma parede de colágeno. Wang e colegas mediram a densidade de colágeno ao redor de seus implantes e usaram isso para avaliar a biocompatibilidade. Eles descobriram que os implantes de semicondutor de hidrogel induziram uma resposta imunológica mais baixa do que outros implantes feitos de hidrogel puro ou semicondutor de polímero puro.
A equipe também avaliou a biossensibilidade do semicondutor de hidrogel, que é uma medida de quão bem as biomoléculas podem se mover através de um materials. A biossensibilidade dos semicondutores regulares (incluindo semicondutores poliméricos) é limitada pela sua alta densidade, o que impede o movimento das moléculas para o inside, onde podem ser detectadas para aplicações de detecção. Wang e colegas descobriram que seu semicondutor de hidrogel teve um desempenho melhor do que os semicondutores poliméricos, permitindo que biomoléculas tão grandes quanto proteínas e ácidos nucléicos penetrassem com eficiência no quantity interno.
Ximin He, pesquisador de biomateriais da UCLA que não esteve envolvido no estudo, está impressionado com a capacidade da nova abordagem de produzir hidrogéis com baixa rigidez e boa condutividade. Esta combinação é particularmente difícil de conseguir, diz ela, uma vez que tornar o gel mais macio normalmente perturba a ordenação molecular necessária para um bom desempenho eléctrico. Com um maior desenvolvimento, ela imagina que a bioeletrônica baseada em materiais macios poderia ser feita para uma variedade de aplicações.
O semicondutor de hidrogel tem se mostrado promissor, mas será necessário mais trabalho antes dos testes clínicos, diz Wang. Um desafio é preparar o semicondutor de hidrogel em pacotes miniaturizados que caberiam em conjuntos de sensores e outros dispositivos. Wang acrescenta que é necessária uma avaliação adicional da estabilidade para verificar se o desempenho do hidrogel muda ao longo do tempo quando implantado no corpo humano.
–Sachin Rawat
Sachin Rawat é um escritor científico freelance que mora em Bangalore, Índia.
Referências
Y. Dai e outros.“Semicondutores de hidrogel macio com funções biointerativas aumentadas,” Ciência386431 (2024).
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