یک دستورالعمل جدید برای ساخت هیدروژل ها ماده ای ارائه می دهد که هم انعطاف پذیر است و هم نیمرسانا – یعنی ویژگیهای مطلوب برای رابط ها در دستگاه های پزشکی قابل کاشت.

نیمرسانای هیدروژلی توسعه یافته توسط وانگ Wang و همکارانش، همانند بافتهای زنده، کشسان و نرم است.

رابط بیوالکترونیکی، یک اتصال بین بافت زنده و دستگاه های قابل کاشت مانند پایشگرهای گلوکز برای دیابتی ها و دستگاه های تنظیم کننده ضربان قلب برای بیماران قلبی شکل می دهد. از چالشهای اساسی در ساخت چنین رابط هایی یافتن موادی است که قادر باشند به طور دقیق داده گردآوری کنند، در عین حال با محیط نرم و آبکی درون بدن سازگار باشند. قبلا دانشمندان ساخت این رابط ها را با پلیمرهای نیمرسانا امتحان کرده اند، اما این مواد الکترونیکی معمولا بسیار سفت اند. گزینه های نرمتر مانند ژل ها و پلاستیک های خاص وجود دارند، اما اغلب فاقد عملکرد الکتریکی نیمرساناها هستند. اکنون سیهونگ وانگ Sihong Wang از دانشگاه شیکاگو و همکارانش یک نیمرسانای هیدروژلی را توسعه داده اند که ویژگی های الکترونیکی مطلوب در یک ماده زیست سازگار را فراهم میکند [1].

هیدروژل ها مواد پلیمری هستند که در اثر اتصال پلیمرهای آب دوست مانند سلولز و پلی اکریلیک اسید به یکدیگر ساخته می شوند. درون آب، این شبکه اتصال یافته به واسطه مولکول های H₂O که فضاهای بین فیبرهای پلیمری را پر می کنند متورم می شود. هیدروژل ها به دلیل انعطاف پذیری و نفوذپذیری مغناطیسی خود نسبت به اکسیژن و دیگر مواد مغذی شیمیایی، کاربرد گسترده ای پیدا می کنند. اما محتویات غنی از آب آنها، سدی در برابر ساخت هیدروژل های نیمرسانا ایجاد می کنند. وانگ می گوید: "تقریبا همه پلیمرهای نیمرسانا نامحلول در آب هستند"، به این معنی که آنها به آسانی در هیدروژل ادغام نمی شوند. وانگ و همکارانش این معضل را با جداسازی مراحل اتصال عرضی (crosslinking) و تورم در آب ((water-swelling در آماده سازی هیدروژل حل کردند.

به جای به کار بردن آب به عنوان مایع پایه، پژوهشگران با یک حلال ارگانیک (آلی) کار را شروع کردند و پلیمرهای نیمرسانا را در آن با زنجیره های جانبی آب دوست همراه با عناصر سازنده هیدروژل (مونومرهای هیدروژل و اتصالات عرضی که هیدروژلاسیون را راه می اندازند) حل کردند. با قرار دادن در معرض نور فرابنفش، عناصر سازنده هیدروژل در یک شبکه به هم پیوسته گردآوری شده و یک ژل را تشکیل دادند، در حالیکه پلیمرهای نیمرسانا در شبکه هیدروژل به دام افتادند. وقتی یک ورق از این ژل در آب غوطه ور شد، آب هجوم آورد و حلال آلی را به بیرون راند. پیرو جانشینی حلال، ژل به یک هیدروژل بسیار کشسان و مایل به آبی با قوام ژلاتین تبدیل شد. پلیمرهای نیمرسانا و نامحلول در آب به سرعت ته نشین شده و در یک شبکه فرو رفته در ماتریس (زمینه) هیدروژل گرد هم آمدند. ماده به دست آمده یک نیمرسانا بود، اما نیمرسانایی که انعطاف پذیری هیدروژل های معمول را داشت.

به هم پیوستگی زیاد خوشه های نیمرسانا در ماده جدید توضیح می دهد که چه طور بارهای الکتریکی می توانند به آسانی از میان آن حرکت کنند. خوشه ها در فواصل کوتاه نظم را به نمایش گذاشتند، اما یک ساختار بلندبُرد سخت آنطور که معمولا با فرآیندهای ساخت معمولی انجام می شود، تشکیل ندادند. پژوهشگران بر این باور هستند که این عدم نظم بلندبرد نتیجه رسوب سریع و مقاومت شبکه هیدروژل موجود است.

پژوهشگران تحرک پذیری حامل بار را در میان هیدروژل اندازه گیری کرده و به مقدار cm²V^-1S^-1 1.4 دست یافتند که در مقایسه با نیمرساناهای حالت جامد معمول که تحرک پذیری هایی در حدود cm²V^-1S^-1 1000 دارند، پایین است. وانگ می گوید: "(اگرچه) عملکرد آن به خوبی سیلیکون نیست، اما هنوز برای بسیاری از کاربردهای رابط زیستی کافی است." در واقع، نیمرسانای هیدروژلی یک عملکرد الکترونیکی دارد که مشابه با نیمرساناهای پلیمری دیگر است، اما نرمی هیدروژل به نرمی بافت های زنده نزدیکتر است. هیدروژل، همچنین متخلخل است که می تواند تغییرات شیمیایی آن را برای کاربردهای ویژه تسهیل کند.

پژوهشگران قابلیت زیست-سازگاری ماده جدید خود را از طریق قرار دادن ایمپلنت های نیمرسانای هیدروژلی در موش ها و پایش کردن پاسخ ایمنی در یک دوره زمانی چهار هفته ای امتحان کردند. یکی از نگرانی های اصلی در مورد دستگاه های قابل کاشت، واکنش به جسم خارجی است که در آن سیستم ایمنی تلاش می کند تا ایمپلنت را در پشت یک دیواره کلاژن ایزوله کند. وانگ و همکارانش چگالی کلاژن را اطراف ایمپلنت های خود اندازه گیری کرده و از آن برای تعیین زیست-سازگار بودن استفاده کردند. آنها دریافتند ایمپلنت های نیمرسانای هیدروژلی پاسخ ایمنی ضعیف تری نسبت به دیگر ایمپلنت های ساخته شده از هیدروژل خالص یا نیمرسانای پلیمری خالص ایجاد می کنند.

گروه همچنین حساسیت زیستی نیمرسانای هیدروژلی را ارزیابی کردند که معیاری است از اینکه با چه کیفیتی مولکولهای زیستی می توانند در یک ماده حرکت کنند. حساسیت زیستی نیمرساناهای معمولی (شامل نیمرساناهای پلیمری) به دلیل چگالی بالای آنها محدود است که از حرکت مولکولها به داخل، جایی که ممکن است برای کاربردهای سنجش آشکارسازی شوند، ممانعت می کند. وانگ و همکارانش دریافتند نیمرسانای هیدروژلی آنها بهتر از نیمرساناهای پلیمری عمل کرده و به مولکولهای زیستی به بزرگی پروتئین ها و نوکلئیک اسیدها اجازه می دهد تا به طور موثری در حجم داخلی نفوذ کنند.

ژیمین هی Ximin He، یک پژوهشگر مواد زیستی در UCLA که در این پژوهش مشارکت نداشته، تحت تاثیر قابلیت تولید هیدروژل در این رویکرد جدید با هر دو ویژگی سختی کم و رسانندگی خوب قرار گرفته است. او می گوید دستیابی به این ترکیب به طور ویژه ای چالش برانگیز است، زیرا نرم تر ساختن ژل، نظم مولکولی لازم برای عملکرد الکتریکی خوب را مختل می کند. او گمان می کند با توسعه بیشتر، الکترونیک زیستی بر پایه مواد نرم را بتوان برای گستره ای از کاربردها ساخت.

وانگ می گوید نیمرسانای هیدروژل نوید بخش بوده است، اما قبل از تست بالینی، کار بیشتری مورد نیاز خواهد بود. یک چالش، تعبیه کردن نیمرسانای هیدروژلی در بسته های مینیاتوری است که در آرایه های حسگر و دیگر دستگاه ها قرار بگیرند. وانگ می افزاید ارزیابی بیشتری از پایداری مورد نیاز است تا مشاهده کنیم که آیا عملکرد هیدروژل در طول زمان وقتی در بدن انسان کاشته می شود تغییر می کند یا خیر.

1. Y. Dai et al., “Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions,” Science 386, 431 (2024).

منبع:

Flexible Semiconductor Made from Hydrogel