Weiche, dehnbare "Gelee-Batterien", inspiriert von elektrischen Aalen
Hydrogel-Batterie für Wearables, Soft-Robotik oder sogar Gehirnimplantate
Forscher haben weiche, dehnbare "Gelee-Batterien" entwickelt, die für tragbare Geräte oder Soft-Robotik verwendet oder sogar in das Gehirn implantiert werden könnten, um Medikamente zu verabreichen oder Krankheiten wie Epilepsie zu behandeln. Die Forscher von der University of Cambridge ließen sich von Zitteraalen inspirieren, die ihre Beute mit modifizierten Muskelzellen, den Elektrozyten, betäuben. Wie die Elektrozyten haben auch die von den Cambridge-Forschern entwickelten geleeartigen Materialien eine Schichtstruktur wie klebriges Lego, die sie in die Lage versetzt, einen elektrischen Strom zu übertragen.
Forscher haben weiche, dehnbare "Gelee-Batterien" entwickelt, die für tragbare Geräte oder Soft-Robotik verwendet oder sogar ins Gehirn implantiert werden könnten, um Medikamente zu verabreichen oder Krankheiten wie Epilepsie zu behandeln.
University of Cambridge
Die selbstheilenden Gelee-Batterien können auf das Zehnfache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, ohne ihre Leitfähigkeit zu beeinträchtigen - das ist das erste Mal, dass diese Dehnbarkeit und Leitfähigkeit in einem einzigen Material kombiniert wurden. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Die Gelee-Batterien werden aus Hydrogelen hergestellt: 3D-Netzwerke aus Polymeren, die über 60 % Wasser enthalten. Die Polymere werden durch reversible On/Off-Wechselwirkungen zusammengehalten, die die mechanischen Eigenschaften des Gelees steuern.
Die Fähigkeit, die mechanischen Eigenschaften genau zu steuern und die Eigenschaften des menschlichen Gewebes nachzuahmen, macht Hydrogele zu idealen Kandidaten für die Soft-Robotik 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", sagt Erstautor Stephen O'Neill vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge. "Normalerweise nimmt die Leitfähigkeit ab, wenn ein Material gedehnt wird".
"Normalerweise bestehen Hydrogele aus Polymeren, die eine neutrale Ladung haben, aber wenn wir sie aufladen, können sie leitfähig werden", sagt Koautorin Dr. Jade McCune, ebenfalls vom Fachbereich Chemie. "Und indem wir die Salzkomponente jedes Gels verändern, können wir sie klebrig machen und sie in mehreren Schichten zusammenpressen, so dass wir ein größeres Energiepotenzial aufbauen können.
Herkömmliche Elektronik verwendet starre metallische Materialien mit Elektronen als Ladungsträger, während die Gelee-Batterien Ionen als Ladungsträger verwenden, wie elektrische Aale.
Die Hydrogele haften aufgrund reversibler Bindungen, die sich zwischen den verschiedenen Schichten bilden können, stark aneinander, wobei tonnenförmige Moleküle, so genannte Cucurbiturils, wie molekulare Handschellen wirken. Die starke Haftung zwischen den Schichten, die durch die molekularen Handschellen gewährleistet wird, ermöglicht es, die Gelee-Batterien zu dehnen, ohne dass sich die Schichten voneinander lösen und, was besonders wichtig ist, ohne dass sie an Leitfähigkeit verlieren.
Die Eigenschaften der Gelee-Batterien machen sie vielversprechend für den zukünftigen Einsatz in biomedizinischen Implantaten, da sie weich sind und sich dem menschlichen Gewebe anpassen. "Wir können die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele so anpassen, dass sie dem menschlichen Gewebe entsprechen", sagte Professor Oren Scherman, Direktor des Melville-Labors für Polymersynthese, der die Forschung in Zusammenarbeit mit Professor George Malliaras von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften leitete. "Da sie keine starren Komponenten wie Metall enthalten, ist es viel unwahrscheinlicher, dass ein Hydrogel-Implantat vom Körper abgestoßen wird oder sich Narbengewebe bildet".
Die Hydrogele sind nicht nur weich, sondern auch erstaunlich widerstandsfähig. Sie können Quetschungen widerstehen, ohne ihre ursprüngliche Form dauerhaft zu verlieren, und können sich selbst heilen, wenn sie beschädigt werden.
Die Forscher planen zukünftige Experimente, um die Hydrogele in lebenden Organismen zu testen und ihre Eignung für eine Reihe medizinischer Anwendungen zu bewerten.
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