Forschern der Universität Linköping in Schweden ist es gelungen, Nanodrähte aus Gold herzustellen und weiche Elektroden zu entwickeln, die an das Nervensystem angeschlossen werden können. Die Elektroden sind weich wie Nerven, dehnbar und elektrisch leitfähig und sollen im Körper lange halten.
Manche Menschen haben ein „Herz aus Gold“, warum also nicht auch „Nerven aus Gold“? In Zukunft könnte es möglich sein, das Edelmetall in weichen Schnittstellen zu verwenden, um Elektronik für medizinische Zwecke mit dem Nervensystem zu verbinden. Eine solche Technologie könnte zur Linderung von Leiden wie Epilepsie, Parkinson, Lähmungen oder chronischen Schmerzen eingesetzt werden. Die Schaffung einer Schnittstelle, über die Elektronik auf das Gehirn oder andere Teile des Nervensystems treffen kann, birgt jedoch besondere Herausforderungen.
„Die klassischen Leiter, die in der Elektronik verwendet werden, sind Metalle, die sehr hart und starr sind. Die mechanischen Eigenschaften des Nervensystems erinnern eher an weiches Gelee.“ „Um eine genaue Signalübertragung zu erreichen, müssen wir sehr nahe an die betreffenden Nervenfasern herankommen, aber da der Körper ständig in Bewegung ist, wird es schwierig, einen engen Kontakt zwischen etwas Hartem und etwas Weichem und Zerbrechlichem herzustellen“, sagt Klas Tybrandt, Professor für Materialwissenschaften am Labor für organische Elektronik der Universität Linköping, der die Forschung leitete.
Die Forscher wollen daher Elektroden entwickeln, die eine gute Leitfähigkeit sowie mechanische Eigenschaften aufweisen, die der Weichheit des Körpers ähneln. In den letzten Jahren haben mehrere Studien gezeigt, dass weiche Elektroden das Gewebe nicht so stark schädigen wie harte Elektroden. In der aktuellen Studie, die in der Zeitschrift Small veröffentlicht wurde, hat eine Gruppe von Forschern der Universität Linköping Goldnanodrähte – tausendmal dünner als ein Haar – entwickelt und sie in ein elastisches Material eingebettet, um weiche Mikroelektroden herzustellen.
„Es ist uns gelungen, aus Goldnanodrähten in Kombination mit einem sehr weichen Silikonkautschuk ein neues, besseres Nanomaterial herzustellen.“ „Durch die Kombination dieser beiden Materialien ist ein Leiter entstanden, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, sehr weich ist und aus biokompatiblen Materialien besteht, die mit dem Körper funktionieren“, sagt Klas Tybrandt.
Silikonkautschuk wird in medizinischen Implantaten wie Brustimplantaten verwendet. Die weichen Elektroden enthalten auch Gold und Platin, Metalle, die in medizinischen Geräten für den klinischen Einsatz häufig verwendet werden. Die
Herstellung langer, schmaler Gold-Nanostrukturen ist jedoch sehr schwierig. Dies war bisher ein großes Hindernis, aber die Forscher haben jetzt eine neue Methode zur Herstellung von Gold-Nanodrähten entwickelt. Und zwar mithilfe von Silber-Nanodrähten.
Da Silber über einzigartige Eigenschaften verfügt, die es zu einem sehr guten Material für die Herstellung der von den Forschern gesuchten Nanodrähte machen, wird es in einigen dehnbaren Nanomaterialien verwendet. Das Problem mit Silber besteht darin, dass es chemisch reaktiv ist. So wie Silberbesteck sich mit der Zeit verfärbt, wenn chemische Reaktionen an der Oberfläche stattfinden, zerfällt das Silber in Nanodrähten, sodass Silberionen austreten. In einer ausreichend hohen Konzentration können Silberionen für uns giftig sein.
Als Laura Seufert, eine Doktorandin in der Forschungsgruppe von Klas Tybrandt, nach einer Methode zur Synthese oder „Züchtung“ von Golddrähten suchte, entwickelte sie eine neue Methode, die neue Möglichkeiten eröffnete. Zunächst war es schwierig, die Form der Nanodrähte zu kontrollieren. Doch dann entdeckte sie eine Methode, die sehr glatte Drähte ergab. Anstatt von Anfang an zu versuchen, Gold-Nanodrähte wachsen zu lassen, begann sie mit einem dünnen Nanodraht aus reinem Silber.
„Da es möglich ist, Nanodrähte aus Silber herzustellen, nutzen wir dies aus und verwenden den Nanodraht aus Silber als eine Art Vorlage, auf der wir Gold wachsen lassen. Der nächste Schritt im Prozess ist das Entfernen des Silbers. Sobald dies erledigt ist, haben wir ein Material, das zu über 99 Prozent aus Gold besteht. Es ist also ein kleiner Trick, das Problem der Herstellung langer, schmaler Goldnanostrukturen zu umgehen“, sagt Klas Tybrandt.
In Zusammenarbeit mit Professor Simon Farnebo vom Institut für Biomedizinische und Klinische Wissenschaften der Universität Linköping haben die Forscher hinter der Studie gezeigt, dass die weichen und elastischen Mikroelektroden einen Rattennerv stimulieren und Signale vom Nerv erfassen können.
Bei Anwendungen, bei denen die weiche Elektronik in den Körper eingebettet werden soll, muss das Material lange halten, vorzugsweise ein Leben lang. Die Forscher haben die Stabilität des neuen Materials getestet und kamen zu dem Schluss, dass es mindestens drei Jahre hält, was besser ist als bei vielen der bisher entwickelten Nanomaterialien.
Das Forschungsteam arbeitet nun daran, das Material zu verfeinern und verschiedene Arten von Elektroden zu entwickeln, die noch kleiner sind und engeren Kontakt mit Nervenzellen herstellen können.
