全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェース用の3Dプリント可能な高性能導電性ポリマーハイドロゲル

寄稿者: Gu Yuyang、Li Xiao 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

出典: 中国機械工学協会付加製造技術（3Dプリンティング）支部

生物組織モデルは、医薬品開発、再生医療、病理学などの分野における基礎研究ツールです。細胞組織のメカニズムや医薬品評価モデルの詳細な研究には、その内部の物理的・化学的情報をリアルタイムかつ安定的に取得することが不可欠です。導電性ハイドロゲルは、非常に組織に似た特性を持つ材料として、バイオセンシングの分野でますます人気が高まっていますが、その機械的強度と導電性特性の間の相互制約の問題をどのように解決するかが、この分野では依然として課題となっています。この目的のために、マサチューセッツ工科大学機械工学部のZhao Xuanheのチームは、導電相としてポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)、機械相として親水性ポリウレタンから調製された二連続導電性ポリマーハイドロゲルを報告した[1]。溶媒が蒸発すると、インク内の分離された機械相と導電相がそれぞれ連続相に圧縮され (図 1a)、各相の連続性が高まり、水溶性機械相ポリマー (ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸など) に基づく従来の導電性ハイドロゲルと比較して、電気的特性と機械的特性のトレードオフが改善されます。これにより、生理環境下において11 S cm−1を超える高い電気伝導率、400%を超える伸縮性、3,300 J m−2を超える破壊靭性を同時に実現することが可能となり、3Dプリンティングを含む先進的な製造方法にも容易に適応できます。

この導電性ポリマーハイドロゲルは安定性に優れ、100% の引張ひずみ下で 5000 サイクル後でも高い導電性を維持できます (図 1b)。さらに、電荷貯蔵容量は白金電極の 20 倍（図 1d、e）、電荷注入容量は白金電極の 3 倍以上（図 1f、g）です。10,000 回の充放電サイクル（図 1e）および 1 M の二相電荷注入（図 1g）後でも、優れた電気的および機械的特性を維持します。図 1c のひずみ実験結果から、導電性ポリマーハイドロゲルは 50% の中程度のひずみではひずみの影響を受けないことが判明しており、これは機械的干渉による信号の影響を軽減するのに役立つことが注目に値します。

図 1. 優れた機械的特性と電気的特性を備えた二連続導電性ポリマーハイドロゲル。 (a) 二連続導電性ポリマーハイドロゲルの形成メカニズム。 (b) 導電性ポリマーハイドロゲルの機械的サイクリングと電気的安定性特性。 (c) 導電性ハイドロゲルの電気特性に対する引張ひずみの影響。 (d) 1サイクル目、5,000サイクル目、10,000サイクル目におけるPt電極と導電性ハイドロゲルの電流密度と電位の関係。 (e) Pt電極と導電性ハイドロゲルの電荷貯蔵容量とサイクリックボルタンメトリーのサイクル数の関係。 (f) 100万サイクル目と100万サイクル目におけるPt電極と導電性ハイドロゲルの二相性入力パルス（上）と対応する電流密度対時間のプロット（下）。 (g) 白金電極と導電性ハイドロゲルの電荷注入能力と電荷注入サイクルの関係。これに基づいて、印刷可能な生体接着性ハイドロゲルを組み合わせ、高度な 3D 印刷製造技術を使用して、生体内の電気生理学的記録と刺激に使用できる、組織のような柔らかさと水分含有量を備えたオールハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェースの製造を実現しました (図 2a、b)。バイオエレクトロニックインターフェースのカプセル化層、接着層、センシング層はすべてハイドロゲルで作られており、生物学的環境における組織との順応性と接着性が高くなっています。さらに、オールハイドロゲルインターフェース（図 2c-e）を使用してラットの心臓の電気生理学的記録を実行し、オールハイドロゲルバイオエレクトロニックインターフェースを使用してラットの坐骨神経（図 2f-j）と脊髄を刺激して、その長期的な生体内バイオエレクトロニックインターフェース機能を実証しました。

図 2 生体内電気生理学的記録および刺激のための全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェース。 (a) 全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェースの3Dプリント製造。 (b) 全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェース（導電性ポリマーハイドロゲルBC-CPH、絶縁性および生体接着性ハイドロゲル）、従来の電極および包装材料、および生物組織のヤング率と水分含有量の関係。 (ce) 全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェースからのラットの心臓記録。 (fj) 全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェースでのラット坐骨神経刺激記録研究の結果は、高度に組織に似た特性を持つ導電性ポリマーハイドロゲルが、生物組織モデルのリアルタイムモニタリングにおいて大きな開発可能性を秘めており、プラットフォームと生物システム間のより優れた信号相互作用を実現できることを示しています。このレポートでは、導電性ハイドロゲルの長引く性能トレードオフ問題を解決し、高度な製造技術を適用することで、組織工学および再生医療における導電性ポリマーハイドロゲルのより幅広い応用に向けた新しいアイデアを著者らが提供しています。

参考文献:
ZHOU T、YUK H、HU F、et al. 全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェース用の3Dプリント可能な高性能導電性ポリマーハイドロゲル [J]。Nat Mater、2023、22(7): 895-902。

全ハイドロゲルバイオエレクトロニクスインターフェース用の3Dプリント可能な高性能導電性ポリマーハイドロゲル

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