Eine neue Generation biokompatibler Robotik
Konventionelle Roboter bestehen aus starren Teilen, die sich nicht an biologische Gewebe anpassen können und sogar giftige Stoffe beinhalten. Für den Übergang von der traditionellen Konstruktion zur weichen Robotik werden biokompatible Materialien gebraucht – technologisch eine große Herausforderung. Angewandt in biomedizinischen Technologien, Prothesen und tragbaren Elektronikgeräten könnten derartige Materialien unseren Alltag verändern.
Biokompatible intelligente Materialien
Im Projekt BIOACT sollten weiche Energiewandler entwickelt werden, die in biomedizinische Geräte eingebaut werden können. Bei den Forschungsarbeiten, die im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) unterstützt wurden, kamen ionische elektroaktive Polymere (IEAP) zum Einsatz. Diese IEAP sind intelligente Materialien, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Größe oder Form ändern. Typischerweise bestehen sie aus einer mikroporösen iondurchlässigen Membran, die zwischen zwei Elektroden platziert wird. Aufgefüllt wird das System mit einem ionischen Flüssigelektrolyt. Wenn die Ionen aus dem Elektrolyt durch die IEAP transportiert werden, fungieren die IEAP als Wandler zwischen elektrischem Strom und mechanischer Verformung. „Um biokompatible IEAP zu kreieren, dürfen alle Bestandteile nur geringe Toxizität aufweisen und müssen eine sichere Benutzung ermöglichen“, erklärt die MSCA-Stipendiatin Kaija Põhako-Esko. BIOACT hat sich auf leitende Polymere beschränkt, da diese das größte Potenzial für Anwendungen in der Medizin bieten. Die Forschenden wollten die optimale Materialkombination herausarbeiten, die Sicherheit gewährleistet, ohne gleichzeitig die Leistung der IEAP zu schmälern. Dazu haben sie – ausgehend von der Tatsache, dass Cholin ein lebenswichtiger Nährstoff ist – in verschiedenen lebendigen Organismen cholinbasierte ionische Flüssigkeiten mit nachweislich geringer Toxizität entwickelt und vollständig charakterisiert. Um daraus biokompatible Aktoren herzustellen, kombinierten sie diese ionischen Cholinflüssigkeiten mit Elektroden aus Polypyrrol und Biopolymermembranen. Diese neuen Materialien wurden anschließend Leistungstests unterzogen. Die Ergebnisse waren vergleichbar mit denen von anderen getesteten elektroaktiven Materialien, die recht giftige kommerzielle ionische Flüssigkeiten enthielten.
Vorteile und Zukunft der IEAP
Ein Vorteil der IEAP ist ihre einfache, weiche und flexible Struktur, die die Mechanik von biologischem Gewebe nachahmt. Sie brauchen nur sehr geringe Spannung und können für verschiedene biomedizinische Anwendungen miniaturisiert werden. Die Aktivierung von IEAP ist außerdem ein von Ionen angetriebener Prozess, ähnlich wie im menschlichen Körper. BIOACT ist es gelungen, biologisch verträgliche IEAP-Aktoren zu kreieren, die unter den im menschlichen Körper herrschenden Bedingungen (Temperatur, pH-Wert) funktionieren. „Wir konnten zeigen, dass biofreundliche ionische Cholinflüssigkeiten als Elektrolyte in IEAP-Aktoren funktionieren, aber die Forschung ist damit noch nicht abgeschlossen. Als Nächstes werden ionische Flüssigkeitsmischungen und pharmazeutisch aktive ionische Flüssigkeiten getestet“, betont Põhako-Esko. Werden verschiedene ionische Flüssigkeiten gemischt, lassen sich ihre Eigenschaften feiner einstellen und damit auch die Leistung der Aktoren justieren. Der Einsatz pharmazeutisch aktiver Komponenten ermöglicht außerdem die Entwicklung von Multifunktionsmaterialien für Systeme zur Wirkstofffreisetzung. Um diesen Prozess leichter zu gestalten und ionische Flüssigkeiten mit bestimmten Eigenschaften erschaffen zu können, hat das Team von BIOACT eine rechnergestützte Methode entwickelt, die die Charakteristika ionischer Flüssigkeiten vorhersagen kann und so eine Vielzahl von Experimenten einspart. Insgesamt eröffnet BIOACT durch seine innovativen IEAP völlig neue Möglichkeiten in der medizintechnologischen Konzeption von biokompatiblen Multifunktionsgeräten. Durch die zunehmende demografische Alterung ist hohe Nachfrage bei Gehhilfen, Cochlea-Implantaten und intelligenten Kathetern entstanden, die sich mit diesen intelligenten Materialien bedienen lassen wird.
Schlüsselbegriffe
BIOACT, IEAP, ionische Flüssigkeit, biokompatibel, Aktor, Cholin, biomedizinische Anwendung, Energiewandler, Wandler, ionische elektroaktive Polymere
