Das Forschungsteam hinter den neuen „Gelee-Batterien“ sagt, dass sie sich an menschliches Gewebe anpassen können, was sie „vielversprechend für den zukünftigen Einsatz in biomedizinischen Implantaten“ mache.
Forscher an der Universität Cambridge sagen, sie hätten erfolgreich eine „bahnbrechende“ Batterie entwickelt, die in unserem Körper eingesetzt werden könnte, um Softrobotik und tragbare Geräte mit Strom zu versorgen.
Es stellt den neuesten Fortschritt bei der Entwicklung flexibler, elektrisch leitfähiger Hydrogelmaterialien für bioelektronische Anwendungen dar.
„Elektronik, wie wir sie kennen, wie unsere Telefone und Computer, ist sehr starr, wohingegen unser Körper zum größten Teil aus Wasser besteht und daher sehr weich ist“, sagte Stephen O’Neil, Doktorand an der Universität Cambridge und Erstautor der Studie.
„Wir haben versucht, die Elektronik weich und dehnbar zu machen, damit sie sowohl im Körperinneren als auch auf der Haut eingesetzt werden kann. Dies haben wir dadurch erreicht, dass wir Hydrogelmaterialien hergestellt haben, die ionisch leitfähig sind.“
Die Batterien bestehen aus einer Reihe von Hydrogelen, die übereinander geschichtet sind, um elektrischen Strom zu erzeugen, und sehen aus wie geleeartige Streifen.
Inspiriert von Zitteraalen
Als Inspiration für die neue Batterie dienten den Forschern zufolge Zitteraale, die ihre Beute mit Elektrozyten, ihren modifizierten Muskelzellen, betäuben.
Hydrogele werden zwar bereits früher im Körper zur Bereitstellung von Elektrizität eingesetzt, doch laut dem Forscherteam aus Cambridge ist dies das erste Mal, dass ihnen die Eigenschaft verliehen wird, dehnbar zu sein.
Hydrogele sind aufgrund ihrer präzise steuerbaren mechanischen Eigenschaften und der Nachahmung der Merkmale menschlichen Gewebes ideale Kandidaten für die Softrobotik und Bioelektronik.
„Es ist schwierig, ein Material zu entwickeln, das sowohl hoch dehnbar als auch hoch leitfähig ist, da diese beiden Eigenschaften normalerweise im Widerspruch zueinander stehen“, sagte O’Neill in einer Erklärung.
„Normalerweise nimmt die Leitfähigkeit ab, wenn ein Material gedehnt wird“, fügte er hinzu.
Den Forschern zufolge sind die 3D-Netzwerkpolymere in den Hydrogelen durch reversible Ein/Aus-Wechselwirkungen verbunden, die die mechanischen Eigenschaften der Batterie steuern.
„Normalerweise bestehen Hydrogele aus Polymeren, die eine neutrale Ladung haben, aber wenn wir sie aufladen, können sie leitfähig werden“, sagte Jade McCune, Co-Autor der Studie.
„Und indem wir den Salzanteil jedes Gels verändern, können wir sie klebrig machen und sie in mehreren Schichten zusammenpressen, sodass wir ein größeres Energiepotenzial aufbauen können“, fügte McCune hinzu.
Die weichen, dehnbaren „Gelee-Batterien“ könnten sogar ins Gehirn implantiert werden, um Medikamente zu verabreichen oder Krankheiten wie Epilepsie zu behandeln.
Dehnbar und selbstheilend
Die Gelee-Batterien können gequetscht oder gedehnt werden, ohne ihre ursprüngliche Form und Leitfähigkeit zu verlieren. Grund dafür ist die starke Haftung aufgrund reversibler Bindungen, die sich zwischen den Schichten mithilfe fassförmiger Moleküle, sogenannter Cucurbiturile, bilden können.
Den Forschern zufolge können sich die Hydrogele bei Beschädigung auch selbst heilen.
Das Team hinter der Studie sagt, dass die Eigenschaften der Gelee-Batterien sich an menschliches Gewebe anpassen können, was sie „vielversprechend für den zukünftigen Einsatz in biomedizinischen Implantaten“ macht.
„Wir können die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele so anpassen, dass sie dem menschlichen Gewebe entsprechen“, sagte Oren Scherman, Direktor des Melville Laboratory for Polymer Synthesis in Cambridge, der die Forschung in Zusammenarbeit mit Professor George Malliaras von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität leitete.
„Da Hydrogelimplantate keine starren Bestandteile wie Metall enthalten, ist die Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung durch den Körper oder der Bildung von Narbengewebe wesentlich geringer“, fügte Scherman hinzu.
Die Universität Cambridge teilt mit, dass die Hydrogele in lebenden Organismen getestet werden, bevor sie für medizinische Anwendungen in Betracht gezogen werden können.
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Videobearbeitung • Roselyne Min
