Wissenschaftler haben innovative, dehnbare 'Gelatinebatterien' entwickelt, die potenzielle Anwendungen in tragbaren Geräten, weicher Robotik und sogar als Gehirnimplantate zur Medikamentenabgabe oder zur Behandlung von Krankheiten wie Epilepsie haben.

Forscher der Universität Cambridge fanden Inspiration bei elektrischen Aalen, die ihre Beute mit Hilfe von Elektrozyten, spezialisierten Muskelzellen, betäuben.

Die von den Cambridge-Forschern entwickelten gelatinösen Materialien haben eine schichtartige Struktur ähnlich wie Legosteine, die die Übertragung von elektrischem Strom ermöglichen.

Diese selbstklebenden Gelatinebatterien können sich mehr als zehnmal ihrer ursprünglichen Länge ausdehnen, ohne ihre Leitfähigkeit zu verlieren, was das erste Mal ist, dass diese beiden Eigenschaften in einem Material kombiniert wurden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Gelatinebatterien bestehen aus Hydrogel, einem dreidimensionalen Netzwerk von Polymeren, das mehr als 60% Wasser enthält. Die Polymere sind durch reversible Bindungen verbunden, die die mechanischen Eigenschaften des Gels steuern.

Die Fähigkeit, die mechanischen Eigenschaften präzise zu kontrollieren und die Eigenschaften von menschlichem Gewebe nachzuahmen, macht Hydrogele zu idealen Kandidaten für den Einsatz in weicher Robotik und Bioelektronik; jedoch müssen die Materialien für solche Anwendungen sowohl leitfähig als auch dehnbar sein.

"Es ist schwierig, ein Material zu entwerfen, das sowohl hoch dehnbar als auch hoch leitfähig ist, da diese beiden Eigenschaften normalerweise im Widerspruch zueinander stehen," sagte Stephen O'Neill, Hauptautor der Studie und Mitglied des Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge. "Typischerweise nimmt die Leitfähigkeit ab, wenn das Material gedehnt wird."

"Normalerweise werden Hydrogele aus Polymeren mit neutraler Ladung hergestellt, aber wenn wir sie aufladen, können sie leitfähig werden," sagte Dr. Jade McCune, Co-Autorin der Studie vom Department of Chemistry. "Durch die Änderung der Salzzusammensetzung in jedem Gel können wir sie klebrig machen und in mehreren Schichten stapeln, wodurch wir das Energiepotenzial erhöhen."

Konventionelle Elektronik verwendet starre metallische Materialien mit Elektronen als Ladungsträger, während Gelatinebatterien Ionen zur Ladungsübertragung verwenden, ähnlich wie elektrische Aale.

Hydrogele binden fest aneinander dank reversibler Bindungen, die zwischen verschiedenen Schichten unter Verwendung von fassförmigen Molekülen namens Cucurbiturilen, die wie molekulare Handschellen wirken, gebildet werden können. Die starke Haftung zwischen den Schichten, die durch molekulare Handschellen ermöglicht wird, ermöglicht es den Gelatinebatterien, sich zu dehnen, ohne die Leitfähigkeit zu verlieren.

Die Eigenschaften von Gelatinebatterien machen sie vielversprechend für den zukünftigen Einsatz in biomedizinischen Implantaten, da sie weich sind und sich an menschliches Gewebe anpassen. "Wir können die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele an menschliches Gewebe anpassen," sagte Professor Oren Scherman, Direktor des Melville Laboratory for Polymer Synthesis, der die Forschung in Zusammenarbeit mit Professor George Malliaras vom Department of Engineering leitete. "Da sie keine starren Komponenten wie Metalle enthalten, wäre ein Hydrogel-Implantat weniger wahrscheinlich, vom Körper abgestoßen zu werden oder Narbengewebe zu verursachen."

Neben ihrer Weichheit sind Hydrogele überraschend langlebig. Sie können Druck standhalten, ohne dauerhaft ihre ursprüngliche Form zu verlieren, und sich selbst regenerieren, wenn sie beschädigt werden.

Forscher planen zukünftige Experimente, um Hydrogele in lebenden Organismen zu testen und ihre Eignung für verschiedene medizinische Anwendungen zu bewerten.

Die Forschung wurde vom Europäischen Forschungsrat und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Teil von UKRI, finanziert. Oren Scherman ist Mitglied des Jesus College, Cambridge.

Quelle: University of Cambridge