De grenzen tussen biologie en technologie vervagen in rap tempo. Zweedse onderzoekers hebben met succes elektroden gekweekt in levend weefsel en laten samensmelten met behulp van lichaamseigen stoffen.
Het resultaat maakt de weg vrij voor volledig geïntegreerde elektronische circuits in levende organismen. “Ons doel is om elektroden te genereren die kunnen versmelten met het neurale systeem van een levend wezen. Deze elektronica creëert een naadloze interface met de biologische cellen. Wij maken elektrostimulatie en metingen daarmee veel efficiënter, selectiever en minder invasief voor de patiënt. We willen deze elektroden uiteindelijk aanbrengen op de hersenen en andere delen van het zenuwstelsel om zo tal van neurologische stoornissen te bestrijden”, zegt professor Magnus Berggren van de Linköping University in gesprek met Scientias.nl.
Twee vliegen in één klap
De stroperige gel, die de onderzoekers ontwikkelden, verandert van structuur en wordt elektrisch geleidend door contact met lichaamseigen stoffen. Er is geen genetische modificatie, licht of elektriciteit nodig om dit proces op gang te brengen en uit te voeren. De Zweedse onderzoekers slaagden daar als eersten ter wereld in. “Al tientallen jaren proberen we elektronica te maken die de natuur nabootst. Nu zetten we de natuur in om de elektronica voor ons te maken. We hebben zorgvuldig polymeren (keten van dezelfde moleculen), crosslinkers (verbindingen die twee polymeerketens aan elkaar koppelen) en enzymen geselecteerd die in het lichaam kunnen worden opgenomen”, legt Berggren uit.
“Tijdens het ontwerpen hebben we rekening gehouden met de biocompatibiliteit en de elektrische geleidbaarheid tijdens de polymerisatie (het samenvoegen van kleine moleculen tot een lange keten). Het is ons gelukt om hoogwaardige elektroden te vervaardigen in het lichaam van dieren, met behulp van natuurlijke suikers (glucose) als brandstof voor polymerisatie. Tegelijk zijn de elektroden minimaal invasief voor de gastheer, twee vliegen in één klap dus”, aldus de professor.
Kloof overbruggen
Het koppelen van elektronica aan biologisch weefsel is belangrijk om complexe biologische functies te begrijpen, ziektes in de hersenen te bestrijden en toekomstige interfaces tussen mens en machine te ontwikkelen. Conventionele bio-elektronica heeft echter een vast en statisch ontwerp dat moeilijk, zo niet onmogelijk, te combineren is met levende biologische zenuwnetwerken.
Om deze kloof tussen biologie en technologie te overbruggen, hebben de onderzoekers een methode ontwikkeld om zachte, elektrisch geleidende materialen in levend weefsel te genereren. Dit werkt door een gel te injecteren met enzymen die als ‘assemblagemoleculen’ fungeren. Op deze manier waren de onderzoekers in staat om elektroden te laten groeien in het weefsel van zebravissen en bloedzuigers. “We hebben in onze studie vooral veel met zebravissen gewerkt. De resultaten waren bij deze dieren relatief erg goed. In de dieren zijn de elektroden, nadat de polymerisatie was voltooid, sterk geleidend en kunnen ze onder andere worden gebruikt voor het waarnemen en stimuleren van het neuraal netwerk”, aldus Berggren.
Polymerencocktail
“In het verleden hebben we elektroden in planten laten groeien om sensoren en stimulerende elektroden te laten ontstaan. Hiermee probeerden we de fysiologie en functies van planten te beïnvloeden. Bij de toepassing op dieren stuitten we op een probleem: de polymerisatie ontstond niet spontaan, terwijl we dat wel hadden verwacht. We hebben toen een cocktail van elektronische monomeren, polymeren en enzymen ingezet. Deze mix gebruikt de natuurlijk beschikbare glucose die in het dier aanwezig is, en zorgt er via enzymatische reacties, polymerisatie en crosslinking voor dat de elektroden in en rondom de organen van het dier gaan groeien”, besluit Berggren.
De studieresultaten leiden tot een volkomen nieuwe manier van denken over de samensmelting van biologie en elektronica. Er is nog een flink aantal problemen op te lossen en er is nog veel labwerk nodig om deze techniek veilig bij gewervelde dieren en uiteindelijk bij de mens in te zetten, maar de Zweedse bevindingen zijn een goed startpunt voor toekomstig onderzoek.
