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Viele medizinische Zukunftstechnologien basieren auf einer nahtlosen Verbindung von biologischen und elektronischen Systemen. Dafür werden Materialien benötigt, die gleichzeitig möglichst weich, elektrisch leitfähig und biologisch aktiv sind – Eigenschaften, die sich bislang nur schwer kombinieren lassen. Unter der Leitung von Prof. Ivan Minev (Technische Universität Dresden (TUD), Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden) und Dr. Christoph Tondera (Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und Zentrum für Regenerative Therapien (CRTD) der TUD) gelang Forschenden nun die Entwicklung eines solchen Materials.
Das bioinspirierte Hydrogel vereint erstmals biochemische und elektrische Signalsteuerung. Es bindet Botenstoffe, die Zellen zum Wachstum anregen, und kann sie durch elektrische Impulse gezielt wieder freisetzen. Zudem dient es als Sensor, um biologische Parameter wie Sauerstoff zu messen. Der Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für medizinische Geräte und Implantate, etwa zur Behandlung von Schäden im Nervensystem. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Ein Material nach dem Vorbild der Natur
Damit Implantate vom menschlichen Körper gut vertragen werden, müssen sie dem umliegenden Gewebe in ihren mechanischen Eigenschaften ähneln. Für Anwendungen im Nervensystem bedeutet das, dass ideale Materialien weich, flexibel und gleichzeitig elektrisch leitfähig sein sollten. Ausgehend von der natürlichen Zellumgebung (extrazelluläre Matrix – ECM) entwickelten die Forschenden ein wasserbasiertes Material (Hydrogel), das zentrale Eigenschaften der ECM nachahmt und gleichzeitig elektrisch aktiv ist. Ein Bestandteil der ECM sind Glykosaminoglykane, die aus stark negativ geladenen, langkettigen Zuckermolekülen bestehen. Diese kombinierten die Forschenden mit sternförmigem Polyethylenglykol (starPEG), um ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden, das Wasser und andere Substanzen binden kann. Anschließend ergänzten sie dieses bioinspirierte Hydrogel mit dem halbleitenden organischen Polymer PEDOT. Durch die Integration des leitfähigen Polymers entstand schließlich ein neues, vielversprechendes Material (PEDOT:sGAGh), das sich für Anwendungen an der Schnittstelle von Biomedizin und Elektronik eignet.
Leitfähig, steuerbar und biologisch aktiv
In einer Reihe von Experimenten zeigten die Forschenden, dass sich PEDOT im Hydrogel einlagert, ohne dessen Nanostruktur zu zerstören. Innerhalb des Materials bildeten sich kleine leitfähige Cluster, die elektrische Signale übertragen können. Gleichzeitig bleibt das Material weich und wasserbasiert – Eigenschaften, die für den Einsatz im Körper entscheidend sind. Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich gezielt einstellen, etwa über die Menge an PEDOT und die Anzahl negativer Ladungen im Material. Anschließend prüften die Forschenden, ob sich auch bioaktive Moleküle im Material binden und wieder freisetzen lassen. Das ist zum Beispiel für Implantate relevant, die im Körper zusätzlich zur elektrischen Stimulation Wirkstoffe abgeben sollen. „Mithilfe schwacher elektrischer Signale können wir gezielt steuern, ob Wachstumsfaktoren im Material gebunden bleiben oder freigesetzt werden. Unsere Zellkulturversuche zeigen, dass die Faktoren durch die elektrische Stimulation nicht verändert werden und weiterhin biologisch aktiv bleiben: Nach kontrollierter Freisetzung des Wachstumsfaktors VEGF bildeten die kultivierten Zellen röhrenartige Strukturen aus – ein frühes Stadium der Blutgefäßbildung“, erklärt Dr. Teuku Fawzul Akbar, Wissenschaftler in der Gruppe von Prof. Minev und Erstautor der Veröffentlichung.
Neben der Freisetzung von Signalstoffen kann das Material auch als Sensor dienen. Das zeigte das Team anhand der Messung von Sauerstoff. In einem biohybriden Schaltkreis demonstrierten die Forschenden: Sinkt der Sauerstoffgehalt, wird ein elektrisches Signal ausgelöst, das die Freisetzung eines Wachstumsfaktors steuert. Dieser kann wiederum das Wachstum von Nervenzellen in der Zellkultur anregen. „Unser Material ist das erste, das die weichen Eigenschaften biologischer Gewebe mit deren natürlicher Kommunikationsweise verbindet: der Signalübertragung über Biomoleküle und elektrische Impulse. Das ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung neuer biomedizinischer Geräte und Implantate“, sagt Dr. Christoph Tondera, Forschungsgruppenleiter am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und dem CRTD der TUD.
Bessere Gehirn-Computer-Schnittstellen und smarte Implantate
Das Hydrogel überträgt ein Prinzip aus der Natur in die Technik, indem es biochemische Signalwirkung mit elektrischer Kontrolle verbindet. Künftig könnte das Material etwa in Elektrodenbeschichtungen oder bioelektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Langfristig soll die Technologie dazu beitragen, Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer zu verbessern. Eine denkbare medizinische Anwendung sind Gehirnimplantate, die nicht nur messen oder stimulieren, sondern beides kombinieren. Dies könnte die Behandlung für Patientinnen und Patienten mit Epilepsie oder Parkinson verbessern. „Als nächstes werden wir die langfristige Stabilität, Leistungsfähigkeit und Verträglichkeit unseres Materials überprüfen. Ziel ist es, möglichst rasch einen Prototyp zu entwickeln und diesen unter klinischen Bedingungen zu testen“, sagt Prof. Ivan Minev, der die Professur Electronic Tissue Technologies am Else Kröner Fresenius Zentrum (EKFZ) für Digitale Gesundheit an der TUD sowie dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden leitet. In einem ersten Schritt arbeitet das Team von Prof. Minev im Projekt COATARRAY bereits mit Neurochirurg:innen des Dresdner Universitätsklinikums zusammen. Bestehende Elektroden für die Tiefe Hirnstimulation sollen auf Basis des neuen Materials weiterentwickelt werden.
Beteiligte Forschungseinrichtungen und Förderung
Die Professur Electronic Tissue Technologies ist am EKFZ für Digitale Gesundheit an der TUD sowie dem Leibniz-Institut für Polymerforschung (Leibniz-IPF) Dresden angesiedelt. An der Forschung waren außerdem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (DC-IAPP), des Zentrums für Regenerative Therapien (CRTD) an der TUD sowie dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam beteiligt. Gefördert wurden die Arbeiten vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Else Kröner Fresenius Zentrum (EKFZ) für Digitale Gesundheit
Das EKFZ für Digitale Gesundheit an der Medizinischen Fakultät der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden wurde im September 2019 gegründet. Es wird mit einer Fördersumme von 40 Millionen Euro für eine Laufzeit von zehn Jahren von der Else Kröner-Fresenius-Stiftung gefördert. Das Zentrum konzentriert seine Forschungsaktivitäten auf innovative, medizinische und digitale Technologien an der direkten Schnittstelle zu den Patientinnen und Patienten. Das Ziel ist dabei, das Potenzial der Digitalisierung in der Medizin voll auszuschöpfen, um die Gesundheitsversorgung, die medizinische Forschung und die klinische Praxis nachhaltig zu verbessern.
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (Leibniz-IPF)
Am Leibniz-IPF erweitern wir die Grenzen der Materialwissenschaft. Angetrieben von biologischen Vorbildern, gestützt durch Datenwissenschaft und translationale Expertise, legen wir den Grundstein für innovative Materialien und Systeme für Nachhaltigkeit, Gesundheitsversorgung und Informationstechnologien. Als Teil eines der dynamischsten Forschungsstandorte Europas pflegt das Leibniz-IPF enge Partnerschaften mit der Wissenschaft und treibt den Technologietransfer aktiv voran.
Kontakt:
EKFZ für Digitale Gesundheit
Technische Universität Dresden
Anja Stübner und Dr. Viktoria Bosak
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 351 458-11379
E-Mail: news.ekfz@tu-dresden.de
Teuku Fawzul Akbar, Carlos Alejandro Jimenez-Rodriguez, Railia Biktimirova, Ilka Hermes, Thomas Kurth, My Duyen Pham, Mikhail V. Tsurkan, Jens Friedrichs, Francis L. C. Morgan, Hans Kleemann, Olga Guskova, Uwe Freudenberg, Peter Fratzl, Carsten Werner, Christoph Tondera, Ivan R. Minev: Conductive Hydrogels for Exogenous Sensing and Cell Fate Control; Advanced Materials, 2026. DOI: 10.1002/adma.72866
Die Publikation ist hier abrufbar: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.72866
PEDOT:sGAGh (schwarz) als Sensoreinheiten auf einem flexiblen Trägermaterial.
Quelle: Ivan Minev
Copyright: Ivan Minev / IPF-DD
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie, Medizin
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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