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Sep 17, 2023

Neuer 3D-Druck

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Ariadna Cortes/IStock

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Flexible Elektronik wird in vielen Bereichen eingesetzt, von Sensoren über Aktoren bis hin zu Mikrofluidik und Elektronik. Sie können flexible, nachgiebige und dehnbare Substrate sein, die für implantierbare oder einnehmbare Anwendungen geeignet sind. Aufgrund der darin enthaltenen Substanzen war es jedoch nicht möglich, sie in den menschlichen Körper zu integrieren.

Ein Forscherteam der Texas A&M University hat jedoch eine neue Klasse von Biomaterialtinten mit 3D-Druck entwickelt, die menschliches Gewebe, genau wie Haut, nachahmen.

Die Studie wurde kürzlich in ACS Nano veröffentlicht.

Der Studie zufolge nutzt die neu hergestellte Biomaterialtinte eine neue Klasse von 2D-Nanomaterialien namens Molybdändisulfid (MoS2). Diese dünnschichtige Struktur von Mo32 beinhaltet Defektzentren, um es chemisch aktiv zu machen, und ist in Kombination mit modifizierter Gelatine, um ein flexibles Hydrogel zu erhalten, mit der Struktur von Jell-O vergleichbar.

Texas A&M Engineering

„Die Auswirkungen dieser Arbeit auf den 3D-Druck sind weitreichend“, sagte Akhilesh Gaharwar, außerordentlicher Professor am Department of Biomedical Engineering und Presidential Impact Fellow.

„Diese neu entwickelte Hydrogel-Tinte ist hochgradig biokompatibel und elektrisch leitfähig und ebnet den Weg für die nächste Generation tragbarer und implantierbarer Bioelektronik“, sagte er.

Forscher haben elektrisch leitfähige Nanomaterialien mit modifizierter Gelatine verschmolzen, um eine Hydrogel-Tinte herzustellen, die für die Entwicklung von Tinte für den 3D-Druck erforderlich ist.

Normalerweise hat Tinte scherverdünnende Eigenschaften, deren Viskosität mit zunehmender Kraft abnimmt. Aus diesem Grund bleibt es in einem Röhrchen in festem Zustand, verwandelt sich beim Herauskommen jedoch in eine Flüssigkeit.

Gaharwar Laboratory/Texas A&M University

Basierend auf den Forschungsergebnissen sehen wir, dass diese neu hergestellte 3D-Tinte tragbar ist, und aus diesem Grund wird angenommen, dass sie beispielsweise Parkinson-Patienten unter die Haut gespritzt werden kann, um ihre Überwachung zu erleichtern.

„Diese 3D-gedruckten Geräte sind extrem elastisch und können komprimiert, gebogen oder verdreht werden, ohne zu brechen“, sagte Kaivalya Deo, eine Doktorandin in der Abteilung für biomedizinische Technik und Hauptautorin der Arbeit. „Darüber hinaus sind diese Geräte elektronisch aktiv, was ihnen die Überwachung dynamischer menschlicher Bewegungen ermöglicht und den Weg für eine kontinuierliche Bewegungsüberwachung ebnet“, sagte er außerdem.

Dieses Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit Dr. Anthony Guiseppi-Elie, Vizepräsident für akademische Angelegenheiten und Personalentwicklung am Tri-County Technical College in South Carolina, und Dr. Limei Tian, ​​Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Texas A&M.

Diese Studie wurde vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke und dem President's Excellence Fund der Texas A&M University finanziert. Ein vorläufiges Patent für diese Technologie wurde in Zusammenarbeit mit der Texas A&M Engineering Experiment Station angemeldet.

Studienzusammenfassung:

Flexible Elektronik erfordert elastische und leitfähige Bioschnittstellen mit natürlichen gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften. Die herkömmlichen Ansätze zur Konstruktion einer solchen Bioschnittstelle nutzen häufig leitfähige Nanomaterialien in Kombination mit polymeren Hydrogelen, die mithilfe toxischer Photoinitiatoren vernetzt werden. Darüber hinaus weisen diese Systeme häufig eine schlechte Biokompatibilität auf und müssen unter physiologischen Bedingungen Kompromisse zwischen Leitfähigkeit und mechanischer Steifigkeit eingehen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir eine Klasse strukturviskoser Hydrogele als Biomaterialtinten für den 3D-Druck flexibler Bioelektronik entwickelt. Diese Hydrogele werden durch eine einfache, durch Leerstellen bedingte Gelierung von MoS2-Nanoanordnungen mit natürlich gewonnener polymerthiolierter Gelatine hergestellt. Aufgrund ihrer strukturviskosen Eigenschaften können diese nanotechnisch hergestellten Hydrogele in komplexe Formen gedruckt werden, die auf mechanische Verformung reagieren können. Die chemisch vernetzten, nanotechnisch hergestellten Hydrogele weisen einen 20-fachen Anstieg der Druckmodule auf und können bis zu 80 % Belastung ohne dauerhafte Verformung standhalten, was der menschlichen anatomischen Flexibilität entspricht. Das nanotechnische Netzwerk weist eine hohe Leitfähigkeit, einen hohen Druckmodul, eine Pseudokapazität und eine hohe Biokompatibilität auf. Die 3D-gedruckte vernetzte Struktur weist eine hervorragende Dehnungsempfindlichkeit auf und kann als tragbare Elektronik zur Erkennung verschiedener Bewegungsdynamiken verwendet werden. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese nanotechnisch hergestellten Hydrogele verbesserte mechanische, elektronische und biologische Eigenschaften für verschiedene neue biomedizinische Anwendungen bieten, darunter 3D-gedruckte flexible Biosensoren, Aktoren, Optoelektronik und therapeutische Verabreichungsgeräte.