Химики из Китая и США получили эластичный биосовместимый материал. Он обладает выдающейся способностью растягиваться благодаря ротаксановым фрагментам в структуре. Кроме того, полимер получился биосовместимым, и химики применили его в электромиографии мышц осьминога и крысы.

Исследование опубликовано в Science.

Чтобы электропроводящий полимер можно было использовать в биоэлектронных устройствах, он должен быть эластичным. Из-за подвижности тканей и частей тела у живых организмов, биоэлектроника на основе полимеров, неспособных растягиваться и принимать исходную форму, легко выходит из строя. Кроме того, биосовместимые полимеры должны обладать ионной проводимостью, чтобы регистрировать нервные импульсы.

Химики под руководством Цзян Юаньвэня (Jiang Yuanwen) из Стэнфордского университета решили попробовать улучшить уже известный биосовместимый полимер на основе полистирола и этилендиокситиофена (PEDOT:PSS ). Они предположили, что если связать его с другим полимером, содержащим ротаксановые фрагменты, механические характеристики нового материала улучшатся.

Ротаксаны — это соединения, в которых циклическая молекула надета на другую молекулу, как кольцо на палец. По мнению авторов статьи, такие структуры обладают повышенной конформационной подвижностью, и за счет этого могут увеличить эластичность материала.

Структура полиротаксанового полимера / Jiang et al. / Science, 2022

Химики начали с синтеза полиротаксанового полимера из полиэтиленгликоля. За четыре стадии в полимерную структуру удалось добавить ротаксановые фрагменты для улучшения механических свойств, сопряженные с карбонильной группой двойные связи для удачной сшивки с полимерной основой, а также отдельные полиэтиленгликолевые цепи для лучшей водорастворимости. Затем ученые провели сшивку их полимера с коммерчески доступным PEDOT:PSS и исследовали механические свойства полученного материала.

Оказалось, что он намного более эластичен, чем исходный PEDOT:PSS и способен растягиваться на 150 процентов без образования трещин. Кроме того, даже после погружения материала в воду, он сохранял свои механические свойства (это важно для совместимости с физиологической средой). Также оказалось, что при обработке водой часть слабо связанных полистирольных цепей вымывается из полимера , и это приводит к увеличению проводимости материала.

Когда у химиков был готовый полимерный материал с нанесенными на него электродами, они решили применить его в электромиографии. Сначала ученые прикрепили их биоэлектронное устройство на щупальце осьминога, а затем регистрировали его мышечную активность в ответ на подаваемые электрические импульсы. Так, с помощью своего материала химики смогли проследить за активностью щупалец осьминога с хорошим отношением сигнала к шуму (контрольный эксперимент без добавки полиротаксанового полимера не дал хороших результатов).

Биоэлектронный сенсор на щупальце осьминога / Jiang et al. / Science, 2022

Также ученые прикрепили свое устройство к стволу мозга крысы. И когда разные мышечные группы крысы стимулировали, химикам удавалось детектировать сигналы от отдельных групп мышц. После эксперимента ученые обнаружили, что несмотря на электрическую стимуляцию, ткани ствола мозга не повредились. Это подтвердило высокую биосовместимость полимерного материала.

В результате химикам удалось получить биосовместимый и эластичный полимер, способный выдержать 500 циклов растяжения. При этом проводимость полученного материала после вымывания полистирольных цепей составила 2700 сименсов на сантиметр. Также ученым удалось применить этот материал для мониторинга мышечной активности животных.