Weiches Gold ermöglicht Verbindungen zwischen Nerven und Elektronik

13.08.2024

Die von der Forschungsgruppe von Klas Tybrandt an der Universität Linköping entwickelten Weichelektroden sind dehnbar und können so den Bewegungen des Körpers folgen, ohne das Gewebe zu beschädigen. Sie bestehen aus extrem dünnen Fäden aus Gold und weichem Silikonkautschuk.

Thor Balkhed

Gold lässt sich nicht ohne weiteres in lange, dünne Fäden verwandeln. Doch Forschern der Universität Linköping in Schweden ist es nun gelungen, Gold-Nanodrähte herzustellen und weiche Elektroden zu entwickeln, die mit dem Nervensystem verbunden werden können. Die Elektroden sind nervenweich, dehnbar und elektrisch leitfähig und sollen lange Zeit im Körper verbleiben.

Manche Menschen haben ein "Herz aus Gold", warum also nicht auch "Nerven aus Gold"? In Zukunft könnte es möglich sein, dieses Edelmetall in weichen Schnittstellen zu verwenden, um Elektronik zu medizinischen Zwecken mit dem Nervensystem zu verbinden. Eine solche Technologie könnte zur Linderung von Krankheiten wie Epilepsie, Parkinson, Lähmungen oder chronischen Schmerzen eingesetzt werden. Die Schaffung einer Schnittstelle, an der Elektronik auf das Gehirn oder andere Teile des Nervensystems treffen kann, stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar.

"Die klassischen Leiter, die in der Elektronik verwendet werden, sind Metalle, die sehr hart und starr sind. Die mechanischen Eigenschaften des Nervensystems erinnern eher an weiches Gelee. Um eine genaue Signalübertragung zu erreichen, müssen wir sehr nahe an die betreffenden Nervenfasern herankommen, aber da der Körper ständig in Bewegung ist, wird es schwierig, einen engen Kontakt zwischen etwas Hartes und etwas Weiches und Zerbrechliches zu erreichen", sagt Klas Tybrandt, Professor für Materialwissenschaften am Labor für Organische Elektronik an der Universität Linköping, der die Forschung leitete.

Die Forscher wollen daher Elektroden entwickeln, die sowohl eine gute Leitfähigkeit als auch mechanische Eigenschaften aufweisen, die der Weichheit des Körpers entsprechen. In den letzten Jahren haben mehrere Studien gezeigt, dass weiche Elektroden das Gewebe nicht so stark schädigen wie harte Elektroden es tun könnten. In der aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift Small veröffentlicht wurde, hat eine Gruppe von Forschern der Universität Linköping Gold-Nanodrähte entwickelt - tausendmal dünner als ein Haar - und sie in ein elastisches Material eingebettet, um weiche Mikroelektroden herzustellen.

"Es ist uns gelungen, ein neues, besseres Nanomaterial aus Goldnanodrähten in Kombination mit einem sehr weichen Silikonkautschuk herzustellen. Das Ergebnis ist ein Leiter, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat, sehr weich ist und aus biokompatiblen Materialien besteht, die mit dem Körper funktionieren", sagt Klas Tybrandt.

Silikonkautschuk wird in medizinischen Implantaten, wie z. B. Brustimplantaten, verwendet. Die weichen Elektroden enthalten auch Gold und Platin, Metalle, die in medizinischen Geräten für den klinischen Einsatz üblich sind. Die Herstellung langer, schmaler Gold-Nanostrukturen ist jedoch sehr schwierig. Dies war bisher ein großes Hindernis, aber die Forscher haben nun einen neuen Weg gefunden, um Gold-Nanodrähte herzustellen. Dazu verwenden sie Silber-Nanodrähte.

Da Silber einzigartige Eigenschaften hat, die es zu einem sehr guten Material für die Herstellung der von den Forschern gesuchten Nanodrähte machen, wird es in einigen dehnbaren Nanomaterialien verwendet. Das Problem mit Silber ist, dass es chemisch reaktiv ist. So wie sich Silberbesteck mit der Zeit verfärbt, wenn an der Oberfläche chemische Reaktionen stattfinden, wird Silber in Nanodrähten zersetzt, so dass Silberionen austreten. In einer ausreichend hohen Konzentration können Silberionen für uns giftig sein.

Als Laura Seufert, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Klas Tybrandt, daran arbeitete, einen Weg zu finden, um Gold-Nanodrähte zu synthetisieren oder "wachsen" zu lassen, kam sie auf einen neuen Ansatz, der neue Möglichkeiten eröffnete. Zunächst war es schwierig, die Form der Nanodrähte zu kontrollieren. Doch dann entdeckte sie einen Weg, der zu sehr glatten Drähten führte. Anstatt von Anfang an zu versuchen, Gold-Nanodrähte zu züchten, begann sie mit einem dünnen Nanodraht aus reinem Silber.

"Da es möglich ist, Silber-Nanodrähte herzustellen, nutzen wir dies aus und verwenden den Silber-Nanodraht als eine Art Vorlage, auf der wir Gold wachsen lassen. Der nächste Schritt im Prozess ist die Entfernung des Silbers. Wenn das geschehen ist, haben wir ein Material, das zu über 99 Prozent aus Gold besteht. Es ist also ein kleiner Trick, um das Problem der Herstellung langer, schmaler Gold-Nanostrukturen zu umgehen", sagt Klas Tybrandt.

In Zusammenarbeit mit Professor Simon Farnebo vom Fachbereich Biomedizinische und Klinische Wissenschaften der Universität Linköping haben die Forscher der Studie gezeigt, dass die weichen und elastischen Mikroelektroden einen Rattennerv stimulieren und Signale des Nervs erfassen können.

Bei Anwendungen, bei denen die weiche Elektronik in den Körper eingebettet werden soll, muss das Material lange halten, am besten ein Leben lang. Die Forscher haben die Stabilität des neuen Materials getestet und sind zu dem Schluss gekommen, dass es mindestens drei Jahre lang hält, was besser ist als viele der bisher entwickelten Nanomaterialien.

Das Forscherteam arbeitet nun daran, das Material zu verfeinern und verschiedene Arten von Elektroden zu entwickeln, die noch kleiner sind und in engeren Kontakt mit den Nervenzellen kommen können.

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Originalveröffentlichung

Laura Seufert, Mohammed Elmahmoudy, Charlotte Theunis, Samuel Lienemann, Yuyang Li, Mohsen Mohammadi, Ulrika Boda, Alejandro Carnicer‐Lombarte, Renee Kroon, Per O.Å. Persson, Aiman Rahmanudin, Mary J. Donahue, Simon Farnebo, Klas Tybrandt; "Stretchable Tissue‐Like Gold Nanowire Composites with Long‐Term Stability for Neural Interfaces"; Small, 2024-6-30

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