Mjukt guld skapar kontakt mellan nerver och elektronik

Guld är väldigt svårt att skapa långa, tunna trådar av. Men nu har forskare vid Linköpings universitet lyckats skapa nanotrådar av guld och utveckla mjuka elektroder som kan kopplas ihop med nervsystemet. De är mjuka som nerver, töjbara och elektriskt ledande. Dessutom beräknas materialet hålla länge i kroppen.

En del har ett ”hjärta av guld”, så varför inte också ”nerver av guld”? I framtiden kanske det blir möjligt att använda denna ädla metall i mjuka gränssnitt för att koppla ihop elektronik med nervsystemet i mediciniskt syfte. Sådan teknik skulle kunna användas för att exempelvis lindra åkommor som epilepsi, Parkinsons sjukdom, förlamning eller kronisk smärta. Men att skapa ett gränssnitt där elektronik kan möta hjärnan eller andra delar av nervsystemet innebär speciella utmaningar.

– De klassiska ledarna som används i elektronik är metaller, som ju är väldigt hårda och styva. De mekaniska egenskaperna i nervsystemet påminner mer om mjuk gelé. För att kunna få en exakt signalöverföring måste vi komma väldigt nära de aktuella nervfibrerna, men kroppen rör sig hela tiden och då blir det ett problem att försöka få en nära kontakt mellan något som är hårt och något som är mjukt och ömtåligt, säger Klas Tybrandt, professor i materialvetenskap vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet (LiU), som har lett forskningen.

Därför vill forskare skapa elektroder som har god ledningsförmåga och samtidigt mekaniska egenskaper som liknar kroppens mjukhet. Under de senaste åren har flera studier visat att mjuka elektroder inte skadar vävnaden lika mycket som hårda elektroder kan göra. I den aktuella studien, som publicerats i tidskriften Small, har en grupp forskare vid Linköpings universitet utvecklat nanotrådar av guld – tusen gånger tunnare än ett hårstrå – och bäddat in dem i ett elastiskt material för att skapa mjuka mikroelektroder.

– Vi har lyckats göra ett nytt, bättre nanomaterial av guldnanotrådar som kombineras med ett väldigt mjukt silikongummi. Genom att vi lyckats få dem att fungera tillsammans resulterar det i en ledare som både har hög elektrisk ledningsförmåga, är väldigt mjuk och gjord av biokompatibla material som fungerar tillsammans med kroppen, säger Klas Tybrandt.

Silikongummi används i medicinska implantat, som bröstimplantat. I de mjuka elektroderna ingår också guld och platina. Båda metallerna är vanliga i medicinteknisk utrustning för klinisk användning.

Att göra långa, smala nanostrukturer i guld är dock väldigt svårt. Det har hittills utgjort ett stort hinder, men nu har forskarna kommit på ett nytt sätt att tillverka guldnanotrådar. Och de gör det genom att använda nanotrådar av silver.

Silver har unika egenskaper som gör det till ett väldigt bra material att skapa den sortens nanotrådar som forskarna vill ha. Därför används silver i en del töjbara nanomaterial. Problemet med silver är att det är kemiskt reaktivt. På samma sätt som silverbestick med tiden missfärgas när det sker kemiska reaktioner på ytan, bryts silver i nanotrådar ner så att silverjoner läcker ut. I tillräckligt hög koncentration kan silverjoner vara giftiga för oss.

Det var när Laura Seufert, doktorand i Klas Tybrandts forskargrupp, arbetade med att försöka syntetisera, eller ”växa”, guldnanotrådar som hon kom på ett nytt tillvägagångssätt som öppnade nya möjligheter. Till en början var det svårt att kontrollera formen som nanotrådarna fick. Men så upptäckte hon ett sätt som resulterade i väldigt jämna trådar. I stället för att försöka växa nanotrådar av guld från början, utgick hon från en tunn nanotråd av rent silver.

– Vi utnyttjar att man kan göra nanotrådar i silver och använder silvernanotråden som ett slags mall som vi växer guld på. Nästa steg i processen är att ta bort silvret. När det är klart har vi ett material som har över 99 procent guld i sig. Så det är lite av ett trick för att komma runt problemet att göra långa smala nanostrukturer i guld, säger Klas Tybrandt.

I studien har forskarna, i samarbete med professor Simon Farnebo vid Institutionen för biomedicinska och kliniska vetenskaper vid LiU, visat att de mjuka och elastiska mikroelektrodernas dels kan stimulera en nerv hos en råtta, dels fånga upp signaler från nerven.

I tillämpningar där den mjuka elektroniken ska vara inbäddad i kroppen måste materialet hålla länge, helst livet ut. Forskarna har testat stabiliteten i det nya materialet och kommit fram till att det har en hållbarhet på minst tre år, vilket är bättre än många av nanomaterialen som utvecklats hittills.

Forskarteamet arbetar nu vidare med att förfina materialet och att skapa olika typer av elektroder som är ännu mindre och kan komma i närmare kontakt med nervceller.

Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Stiftelsen för strategisk forskning, Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Stretchable tissue-like gold nanowire composites with long-term stability for neural interfaces, Laura Seufert et al. Small, publicerad online den 30 juni 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/smll.2...

För mer information, kontakta gärna:

Klas Tybrandt, professor, klas.tybrandt@liu.se, 073–661 77 36