Využití polovodičů pro bioelektroniku je zásadní pro zařízení jako kardiostimulátory, biosenzory nebo systémy pro řízené dávkování léků. Polovodiče však mají zásadní nevýhodu – jsou obvykle tvrdé, křehké a hydrofobní, což znamená, že se obtížně přizpůsobují měkké a vlhké tkáni lidského těla. Naopak, hydrogely, které jsou již běžně využívány v biomedicíně, jsou měkké, pružné a vodou nasáklé. Spojení těchto dvou různých světů se však donedávna zdálo být nemožné.

Ve své nové studii publikované v časopise Science výzkumný tým z University of Chicago, vedený profesorem Si Hong Wangem, představil inovativní způsob výroby hydrogelu, který umožňuje, aby materiál fungoval zároveň jako polovodič. Tento hydrogelový polovodičový materiál má měkkost srovnatelnou s lidskou tkání (modulus 81 kPa), dokáže se roztáhnout až o 150 % a zároveň vykazuje vysokou mobilitu nosičů náboje až 1,4 cm² V⁻¹ s⁻¹.

Klasický postup pro tvorbu hydrogenu spočívá v rozpuštění materiálu ve vodě a následném přidání gelovacích látek, které vytvoří želatinovou strukturu. Polovodiče se však ve vodě nerozpouštějí, což tuto cestu komplikuje. Tým z University of Chicago se ovšem rozhodl přistoupit k problému jinak. „Místo toho, abychom se snažili vynutit rozpouštění polovodiče ve vodě, zvolili jsme výměnu rozpouštědel,“ vysvětluje Yahao Dai, první autor studie.

Nejprve polovodičový materiál rozpustili v organickém rozpouštědle, které je mísitelné s vodou. Následně přidali hydrogelové prekurzory a vytvořili tak tzv. organogel. Poté celý systém ponořili do vody, kde došlo k výměně rozpouštědla – organické rozpouštědlo se vyplavilo a nahradila jej voda. Výsledkem byl skutečný hydrogel, který současně plní funkci polovodiče.

Bioelektronické výhody a lékařský potenciál

Díky této nové technologii vznikl materiál, který nabízí unikátní vlastnosti. Je schopen formovat přímé a měkké vazby s tkání, což významně snižuje riziko imunitních reakcí a zánětu, které často vznikají při implantaci lékařských zařízení. Tím, že je tento hydrogel měkký a pružný jako tkáň, je tělo schopno lépe přijmout zařízení jako „vlastní“.

Další výhodou tohoto hydrogelového polovodiče je jeho vysoká poréznost, která umožňuje efektivnější průnik biomolekul. Tento materiál zvyšuje citlivost biosenzorů tím, že umožňuje biomolekulám volně pronikat do struktury a interagovat s detekčními místy, což vede ke zvýšení přesnosti a rychlosti senzorických reakcí. Navíc vykazuje posílené foto-modulační efekty, což znamená, že může efektivně reagovat na světelné impulzy. A to je dosti užitečná vlastnost - obzvláště při terapiích založených na světle, jako jsou světlem řízené kardiostimulátory nebo obvazy, které urychlují hojení prostřednictvím kontrolovaného zahřívání.

No a co se týče komerčního potenciálu, tento revoluční materiál již oficiálně získal patent a tým plánuje jeho komercializaci prostřednictvím Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation.