Leitfähige Polymer-Hydrogele mit einstellbarer elektrischer Leitfähigkeit und biomolekularer Affinität für multimodale In-vitro-Stimulation

• Antragsteller: Dr. Christoph Tondera
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mikrosysteme ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518476867

Elektrisch leitfähige Polymere werden zunehmend in neuartigen bioelektronischen Geräten eingesetzt, um die Leitfähigkeit und Ladungsspeicherkapazität zu maximieren. Das macht sie zu idealen Kandidaten für eine elektrische Stimulation von elektroaktiven Geweben wie Nerven- oder Herzgewebe. In biologischen Systemen sind elektronische und biomolekulare Signale miteinander verknüpft. Die technologische Umsetzung dieses Prinzips in einem elektrisch leitfähigen Material mit einstellbarer biomolekularer Affinität ermöglicht, elektronische und biomolekulare Prozesse kontrolliert und kombiniert zu stimulieren. Bislang ist dies jedoch unerreicht. Für die Umsetzung dieses Ansatzes, wird eine neue Klasse von leitfähigen Hydrogelen entworfen, charakterisiert und angewendet. Diese Materialien bestehen aus sulfatierten/sulfonierten Polymerhydrogelen (SSPH). Die SSPH-Materialien sind in ihren physikochemischen und damit in ihrer spezifischen elektrostatischen Affinität zu Biomolekülen modifizierbar. Das elektrisch leitfähige Polymer Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) bildet ein semi-interpenetrierendes Netzwerk innerhalb des SSPH. Da der variable Sulfatierungsgrad des SSPH als Dotierstoff für PEDOT fungiert, können die elektrischen Eigenschaften der Hydrogele eingestellt werden. Zusätzlich kann die positive Ladung von PEDOT elektrodynamisch durch die Anwendung von elektrischen Potentialen eingestellt werden. Dies ermöglicht die Synthese von PEDOT:SSPH-Materialien mit einstellbarer biomolekularer Affinität. (1) Um ein umfassendes mechanistisches Verständnis der PEDOT:SSPH-Materialien zu erlangen, werden ihre elektrischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften unter systematischer Variation der physikochemischen Eigenschaften charakterisiert. (2) Weiterhin wird untersucht, wie die Affinität der PEDOT:SSPH-Materialien zu Biomolekülen elektronisch gesteuert werden kann. Dazu wird die Sequestrierung und Freisetzung von Biomolekülen unter Verwendung verschiedener PEDOT:SSPH-Materialien und verschiedener elektrischer Potentiale untersucht. (3) Durch die Entwicklung speziell angepasster Mikrofabrikationstechniken werden die Materialien in funktionelle Systeme integriert. (4) Schließlich werden die etablierten Systeme verwendet um deren multimodale Funktionalität in vitro zu validieren. Diese Arbeit wird ein Materialsystem bereitstellen, welches noch nie dagewesene Kommunikationsmöglichkeiten zwischen lebendem Gewebe und elektronischen Geräten zur Stimulation von elektrischen und biomolekularen Signalen ermöglicht. Perspektivisch soll der Ansatz die Grenzen zwischen lebender Materie und elektronischen Geräten weiter verschieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Carsten Werner