US-Forscher haben einen bahnbrechenden Fortschritt in der Bioelektronik erzielt: Sie haben erstmals einen Hydrogel-Halbleiter entwickelt, der nicht nur dehnbar und flexibel ist, sondern auch perfekt mit lebendem Gewebe interagiert. In einem wegweisenden Bericht in der Fachzeitschrift „Science“ präsentieren sie ihre Ergebnisse und zeigen, wie sie die Wasserabweisung herkömmlicher Halbleitermaterialien erfolgreich überwunden haben.

Die Zukunft der Bioelektronik sieht rosig aus: Implantate, tragbare Geräte und medizinische Sensoren, die direkt im Körper integriert werden, benötigen Materialien, die sowohl bioverträglich als auch flexibel sind. Hier kommen Hydrogele ins Spiel – sie sind elastisch, wasserhaltig und sehr ähnlich zu echtem menschlichen Gewebe.

Sihong Wang, Seniorautor der Studie von der University of Chicago, erklärt: „Hydrogele sind weich und ermöglichen die Diffusion von Nährstoffen und Medikamenten, allerdings konnten sie bisher nicht als Halbleiter verwendet werden.“ Das hat sich nun geändert: Wang und sein Team haben ein innovatives Material entwickelt, das die Struktur eines Hydrogels mit den elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters kombiniert.

Die Herausforderung war die Integration von hydrophilen und wasserabweisenden Komponenten. Um diese Barriere zu überwinden, verwendeten die Forscher einen Polymer-Halbleiter mit speziellen Seitenketten in Kombination mit Acrylsäure, die in Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöst wurden. Ein anschließender UV-Lichtprozess bewirkte die Polymerisierung und Vernetzung, wodurch ein sogenanntes Organo-Gel entstand.

Um das Organo-Gel in ein echtes Hydrogel umzuwandeln, platzierte das Team es in Wasser, wodurch das DMSO herausdiffundierte und durch Wassermoleküle ersetzt wurde. Das Resultat: ein neuartiges, blue Hydrogel, das in seiner Konsistenz Gelatine ähnelt, jedoch die Eigenschaften eines Halbleiters aufweist. Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Hydrogel-Halbleiter zwei bis dreimal leichter verformbar ist als herkömmliche Polymerhalbleiter und eine Dehnbarkeit von bis zu 150 Prozent erreicht.

Die Leistungsfähigkeit des Hydrogel-Halbleiters ist beeindruckend: Mit einer Ladungsträger-Mobilität von bis zu 1,4 Quadratzentimeter pro Volt und Sekunde eignet er sich ideal für den Einsatz in bioelektrischen Anwendungen wie Sensoren, lichtgesteuerten Wundauflagen und Implantaten.

Ein entscheidender Vorteil des neuen Materials wurde in Tierversuchen gezeigt: Bei Mäusen, die mit Hydrogel-Implantaten versorgt wurden, war die Immunreaktion signifikant geringer im Vergleich zu herkömmlichen Polymer-Halbleitern. Dies deutet darauf hin, dass der Hydrogel-Halbleiter nicht nur biokompatibel, sondern auch immunverträglich ist.

Das Forschungsteam sieht vielversprechende Perspektiven für die Integration dieser neuen Technologie in biologische Gewebe. Wang beschreibt die Synergie zwischen Hydrogel und Halbleiter als „eins plus eins ergibt mehr als zwei“. Das Team hat bereits Patente für ihre Entwicklung angemeldet und plant, den Hydrogel-Halbleiter bald auf den Markt zu bringen. Ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einer neuen Ära der Bioelektronik steht bevor! (Science, 2024; doi: 10.1126/science.adp9314)