Effektivere Bioelektroden für zukünftige medizinische Behandlungen

Studie kommt zu dem Schluss, dass Bioelektroden mit Nanosäulen besser funktionieren als herkömmliche

02.03.2022 - Spanien

Der menschliche Körper nutzt Elektrizität, um Signale und Nervenimpulse auszusenden. Daher ist die Anwendung von Techniken, die auf der Verbesserung dieser Interaktion beruhen, bei der Suche nach neuen therapeutischen und diagnostischen Instrumenten für verschiedene Arten von Krankheiten von Interesse. Daher sind Techniken, die Bioelektroden verwenden, sehr wichtig geworden.

CSIC-Forscher leiten eine in Nanoscale veröffentlichte Studie, die die Vorteile der Verwendung anderer Strukturen als der herkömmlichen flachen Bioelektroden aufzeigt, um die bestmögliche Leistung für künftige Behandlungen in der regenerativen Medizin zu erzielen, insbesondere bei der Wiederherstellung von Nervenzellen. Als Ergebnis dieser Studie haben die IMN-Forscher ein miniaturisiertes Gerät für die In-vitro-Elektrostimulation auf der Grundlage von Nanosäulen patentiert und sind derzeit auf der Suche nach Industriepartnern.

Die von Sahba Mobini vom Institut für Mikro- und Nanotechnologie (IMN-CNM-CSIC) geleitete Arbeit kommt zu dem Schluss, dass Bioelektroden mit einer Struktur aus metallischen Nanosäulen ein besseres elektrochemisches Verhalten aufweisen als herkömmliche Elektroden in einer physiologischen Umgebung, die die Bedingungen im menschlichen Körper simuliert. Unter Verwendung von drei Arten biokompatibler Elektroden (Titan, Gold und Platin) hat sich gezeigt, dass die Nanosäulenstruktur eine höhere Ladungsspeicherkapazität hat und elektrische Signale präziser übertragen kann. "Diese Elektroden ermöglichen die Injektion eines mehr als ausreichenden elektrischen Stroms mit einer geringeren Spannung als bei flachen Elektroden, was wichtig ist, um zu vermeiden, dass Zellen und Gewebe einer Spannung ausgesetzt werden, die schädlich sein könnte", so der Forscher.

Am IMN leitet Mobini ein Projekt, das die Rolle der elektrischen Stimulation von Nervenzellen für die Anwendung in der regenerativen Medizin untersucht. "Unser Ziel ist es, Zellen, die nach einem traumatischen Ereignis, wie einem Schlaganfall, neuronale Schäden erlitten haben, durch elektrische Stimulation wiederherzustellen. Dazu verwenden wir diese Nanosäulen-Bioelektroden, die für die Stromzufuhr zu den Nervenzellen zuständig sind", erklärt die Forscherin.

Die Anwendung von Elektroden für medizinische Behandlungen ist zu einer alltäglichen Ressource geworden: Bei neurodegenerativen Krankheiten wie Parkinson werden elektrische Therapien eingesetzt, aber ihr Einsatz ist nicht nur auf diese Fälle beschränkt; Bioelektroden werden auch zur Wiederherstellung der motorischen Funktionen durch die Stimulierung von Zellen in Gehirn und Rückenmark verwendet. Weitere aktuelle Anwendungen sind die Behandlung chronischer Schmerzen und die Steuerung von Computer-Mensch-Schnittstellen im Falle von Roboterprothesen.

Um eine künftige Anwendung in neuronalen Implantaten beurteilen zu können, wurden die Bioelektroden auf ihre Haltbarkeit im menschlichen Körper, insbesondere gegenüber oxidativen Reaktionen, getestet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Gold- und Platinnanosäulen nach einem Jahr Alterung unter simulierten Bedingungen kaum Veränderungen aufweisen.

Sputtern zur Herstellung von Nanosäulen

Eine weitere Besonderheit der Arbeit besteht darin, dass für die Herstellung der Bioelektroden die Technik des Sputterns in einer schrägen Konfiguration verwendet wurde, eine physikalische Methode, die es ermöglicht, die Atome einer festen Struktur durch Beschuss mit energiereichen Ionen zu verdampfen, um Nanosäulen zu erzeugen.

Der Forscher José Miguel García-Martín, der ebenfalls an der Studie beteiligt war, sagt zum Sputtern: "Chemische Methoden sind billig, aber sie erfordern das Recycling vieler Materialien, und mit den Techniken der Nanolithografie lassen sich Elektroden mit sehr ähnlichen Nanostrukturen herstellen, allerdings zu sehr hohen Kosten, so dass sie letztlich nur für grundlagenwissenschaftliche Studien verwendet werden. Das Sputtern ermöglicht es uns, zu niedrigen und nachhaltigen Kosten zu arbeiten, ohne die Umwelt zu verschmutzen, und es ist eine skalierbare Technik.

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Originalveröffentlichung

Sahba Mobini, María Ujué González, Olga Caballero-Calero, Erin E. Patrick, Marisol Martín-González, José Miguel García-Martín; "Effects of nanostructuration on the electrochemical performance of metallic bioelectrodes."; Nanoscale.

https://www.bionity.com/de/news/1175016/effektivere-bioelektroden-fuer-zukuenftige-medizinische-behandlungen.html