Hydrogel: Die Zukunft von 'Smart Band-Aids'

Ein Pflaster kann nie wieder dasselbe sein; Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology haben das neueste Modell von Stick-on-Dressing entwickelt: ein klebriges, dehnbares, gelartiges Material, das Temperatursensoren, LED-Lampen und andere elektronische Geräte sowie winzige Reservoirs für die Wirkstoffabgabe aufnehmen kann und Kanäle.
Die neuen Hydrogele sind sehr vielseitig.
Bildnachweis: Melanie Gonick / MIT.

Der "intelligente Wundverband" gibt Medikamente bei Bedarf als Reaktion auf Veränderungen der Hauttemperatur frei. Es kann sogar aufleuchten, wenn der Medikamentenvorrat knapp wird.

Der neue Verband dehnt sich mit dem Körper. Es wird nicht nur an Ort und Stelle bleiben, wenn der Träger das Knie oder den Ellenbogen beugt, sondern seine eingebetteten Strukturen und seine Elektronik bleiben auch intakt und funktionell, wenn sie gestreckt werden.

Das Team, das den neuen Hydrogel-Verband entwarf und entwickelte, wurde von Prof. Xuanhe Zhao vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), Fakultät für Maschinenbau, geleitet.

Die Forschung ist veröffentlicht in Naturmaterialien.

Was ist ein Hydrogel?

Hydrogele sind in verschiedenen Alltagsprodukten enthalten, von weichen Kontaktlinsen und Kondomen bis hin zu Einwegwindeln. Haargel, Zahnpasta und Pflanzenwasserkristalle nutzen Hydrogele. Alginat-Hydrogele in Kombination mit Aloe Vera bieten eine Wundauflage, die die Wunde feucht hält und die Regeneration der Zellen ermöglicht.

• In der Industrie werden Hydrogele in Schottabdichtungen und Abfallreinigungen verwendet
• Konsumgüter, die Hydrogele enthalten, umfassen Haargel und Kosmetika
• Medizinische Anwendungen umfassen Kontaktlinsen, Wirkstofffreisetzung, Nervenführungen, Beschichtungen, Gewebeaufbau und Nukleusersatz.

Gavin Braithwaite, von der Cambridge Polymer Group in Boston, MA, bemerkt, dass Hydrogele hydrophil sind, mit dem Potenzial, 80% oder mehr Wasser zu enthalten, das durchlässig ist und den Transport von gelösten Stoffen ermöglicht. Sie können auch viskoelastisch und gleitfähig sein. Sie sind auch umweltsensibel. All diese Eigenschaften machen sie multifunktional.

Die Hydrogele, die bereits eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, träumen von einer vielversprechenden Zukunft, einschließlich einer Rolle im Nachwachsen des Rückenmarks, der Nerven- und Gewebezüchtung und sogar der Organbildung.

Die Struktur des Hydrogels ist der Schlüssel zu seinem Erfolg. Seine physikalischen oder chemischen Vernetzungen von hydrophilen Polymerketten ermöglichen es, Wasser bis zu 99% seines Volumens zu enthalten oder zu absorbieren.

Um Hydrogele zu erzeugen, sind die Polymerketten, die ihre Basis bilden, entweder chemisch synthetisiert oder von natürlichen Polymeren abgeleitet. Dies können Proteine ??wie Kollagen und Gelatine oder Polysaccharide wie Stärke, Alginat und Agarose sein. Natürliche Quellen für Hydrogele sind Garnelenschalen und Seetang.

Der hohe Wassergehalt macht sie entweder weich, "matschig" und flexibel, wie Kontaktlinsen, oder stark saugfähig, wie bei Babywindeln. Sie können auch ziemlich brüchig sein. Ihre Eigenschaften hängen von ihrer Zusammensetzung ab.

Materialwissenschaftler, die seit einiger Zeit das Potenzial von Hydrogelen für unterschiedliche Anwendungen kennen, haben die Grenzen dieser außergewöhnlichen Substanz erweitert.

Hydrogel-Verbände

Hydrogelverbände sind nicht neu, die ersten stammen aus den 1950er Jahren. Die jüngsten Entwicklungen führen jedoch zu einigen revolutionären Konzepten.

Bekannte Hydrogelverbände umfassen frei fließende Gele, die in Tuben und Folienpackungen erhältlich sind, Präparate, bei denen Hydrogel auf ein Gazepolster oder -streifen gesättigt ist, oder eine Gelschicht, die von einem dünnen Fasergeflecht getragen wird.

Hydrogelverbände sorgen für Feuchtigkeit, fördern die Heilung und entfernen abgestorbenes Gewebe von Wunden. Der hohe Wassergehalt kühlt die Wunde und lindert die Schmerzen. Hydrogele verhindern auch, dass der Verband an der Wundoberfläche haftet.

Hydrogele sind stark und flexibel, und sie können porös sein, je nach Zusammensetzung für Diffusion oder dicht. Sie können an unterschiedliche Bedürfnisse angepasst werden.

Die Universität von Wollongong in Australien beschreibt Hydrogele als "einige der biokompatibelsten Materialien auf dem Planeten". Tatsächlich bestehen Tierkörper hauptsächlich aus Hydrogelen.

Körpergewebe und synthetische Hydrogele haben viel gemeinsam, und die neuesten Produkte haben ähnliche Eigenschaften wie das Körpergewebe, was sie zu einem guten Kandidaten für eine wachsende Palette von medizinischen Anwendungen macht.

Letztes Jahr, Medizinische Nachrichten heute berichteten über die Entwicklung eines Hydrogels, das sich wie die Haut dehnen könnte.

Wissenschaftler haben daran gearbeitet, diese Eigenschaften zu nutzen, in der Hoffnung, ein "intelligentes Material" zu schaffen, das biologisches Gewebe und Funktion nachahmt.

Das neue Hydrogel

Im Dezember 2015 kündigte das MIT-Team die Entwicklung einer Reihe "zäher Hydrogele" an, die 70-95% Wasser mit "außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften" enthalten.

Die neue Hydrogelmatrix ist sehr dehnbar, transparent und kann Temperaturen an verschiedenen Stellen auf der Haut messen. Die Wissenschaftler haben auch eine Reihe bemerkenswerter, zusätzlicher Merkmale eingebaut.

Um eine nachhaltige Wirkstofffreisetzung zu ermöglichen, haben die Wissenschaftler Wege in der Matrix geschaffen, indem sie Röhrchen eingeführt oder winzige Löcher gebohrt haben. Sie haben auch winzige Medikamentenreservoirs geschaffen und regelmäßig Temperatursensoren hinzugefügt. Andere elektronische Komponenten, die zur Verbesserung des Materials verwendet werden, umfassen leitfähige Titandrähte und Halbleiterchips.

Beim Test ließ das System Scheinmedikamente durch das Hydrogel fließen und bei Bedarf abgegeben werden. Die Sensoren ermöglichten es dem Verband, die Hauttemperatur zu überwachen und Arzneimittel bei Bedarf in verschiedene Teile des Körpers freizusetzen, selbst wenn der Verband stark gestreckt war. Die Sensoren können auch Vitalfunktionen messen.

Eingebettete LED-Leuchten, die auch bei gestreckter Knie- und Ellenbogenfunktion funktionierten, deuteten darauf hin, dass der Medikamentenspiegel in den Reservoirs niedrig war.

Ein in der Matrix eingekapselter Titandraht bildete einen transparenten, dehnbaren Leiter, der eine konstante elektrische Leitfähigkeit beibehielt.

Prof. Zhao erklärt, warum eine Hydrogelmatrix der Schlüssel zum Einsatz von Elektronik im biomedizinischen Kontext sein könnte:

"Wenn Sie die Elektronik in engen Kontakt mit dem menschlichen Körper für Anwendungen wie die Überwachung des Gesundheitswesens und die Medikamentenabgabe setzen wollen, ist es sehr wünschenswert, die elektronischen Geräte weich und dehnbar zu machen, um sie an die Umgebung des menschlichen Körpers anzupassen dehnbare Hydrogel-Elektronik. Man muss an die Langzeitstabilität der Hydrogele und Grenzflächen denken. "

Die Textur, Empfindlichkeit und mechanischen Fähigkeiten des neuen intelligenten Wundverbands bringen die Wissenschaftler einen Schritt weiter in Richtung künstliches biologisches Gewebe, das die Funktionen der Natur wirklich nachahmt.

Anwendungen: Gegenwart und Zukunft

Eine sofortige Verwendung des Verbandes, so die Forscher, wäre zur Behandlung von Verbrennungen oder anderen dermatologischen Erkrankungen.

Die Fähigkeit, spezifische Arzneimittel aus spezifischen Vorratsbehältern auf Anforderung als Antwort auf Reaktionen, die von den Sensoren von bestimmten Standorten aufgenommen werden, freizusetzen und dies im Laufe der Zeit konsistent zu tun, würde bedeutende Vorteile bringen.

Wir haben Prof. Zhao gefragt, ob der Smart Dressing anpassbar wäre oder ob er fertig vorbereitet gekauft werden müsste.

Er sagte uns: "Die aktuelle intelligente Bandage kann von Ärzten oder Gesundheitspersonal programmiert werden, beispielsweise Art und Dosis der verabreichten Medikamente."

In Bezug auf die Kosten sagte er: "Da die Materialien (Hydrogele) und Geräte (Sensoren) relativ kostengünstig sind, erwarten wir, dass das System bezahlbar sein wird."

Bisher, so Prof. Zhao, wurde der Verband nicht auf seine therapeutische Tauglichkeit getestet, aber das Team arbeitet derzeit an In-vivo-Tests des Hydrogel-basierten Geräts.

Im folgenden Video spricht Prof. Zhao über die Eigenschaften des neuen Hydrogelverbandes und wofür er eingesetzt werden könnte:

Abgesehen von ihrer Rolle als oberflächliche Wundauflage glauben die Wissenschaftler, dass das Material dazu verwendet werden könnte, Elektronik im Körper zu liefern.

Prof. Zhao erzählt MNT:

"Es wird erwartet, dass neue Geräte, die aus mit biokompatiblen Hydrogelen integrierter Elektronik bestehen, im biomedizinischen Bereich eine breite Palette von Anwendungen finden werden."

Die Matrix könnte in Implantaten verwendet werden, wie zum Beispiel Ventile, um den Fluss von Mikrofluiden zu steuern, oder in Mikrolinsen, die ihre Form ändern würden. Implantationsvorrichtungen, die Hydrogele enthalten, könnten mobile Gesundheitssysteme oder mHealth-Systeme unterstützen. MNT kürzlich über das wachsende Feld von mHealth berichtet.

Vorhandene Glukosesensoren neigen dazu, eine Immunreaktion auszulösen, die den Sensor mit dichten Fasern überdeckt, so dass diese oft ausgetauscht werden müssen. Das Team glaubt, dass das neue Hydrogel verwendet werden könnte, um ein robusteres und langlebigeres Produkt zu schaffen.

In ähnlicher Weise könnte das neue Hydrogel die Wirksamkeit neuronaler Sonden verbessern, sagt Prof. Zhao.

Liking das Gehirn zu "einer Schüssel Wackelpudding", weist er darauf hin, dass das Hydrogel ähnliche physiologische Eigenschaften hat. Zusammen mit seinem mechanischen Potential könnte es ein geeigneter Kandidat für neuronale Sonden sein.

Im weiteren Verlauf werden Hydrogele als potentielle Gerüste für neues Gewebe und möglicherweise sogar als Grundlage für neue Organe in der sogenannten regenerativen Medizin angesehen.

Dies würde das Impfen oder Einkapseln von Zellen des erforderlichen Gewebes in das Hydrogel beinhalten. Das Hydrogel würde dann in den Körper injiziert werden, wo es das beschädigte Gewebe ersetzen und die Lieferung von Nährstoffen ermöglichen würde. Wenn sich die Zellen vermehren, würde sich das Hydrogelgerüst abbauen und das neue Gewebe würde das alte ersetzen.

MNT berichteten kürzlich über ein flüssigkristallines Hydrogel mit 3D-Form, das ähnliche Eigenschaften wie weiches Gewebe aufweist.

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