Na FCH VUT vyvíjejí materiály budoucnosti: Vodivý hydrogel propojuje svět biologie a elektroniky
Lidské tělo je převážně tvořeno vodou – naše buňky, orgány a tkáně fungují ve vodném prostředí. Když do tohoto prostředí vstupuje umělý materiál, například při implantaci, je klíčové, aby byl co nejvíce kompatibilní. Právě tento cíl sleduje výzkum vodivých hydrogelů, které kombinují schopnost vést elektrický proud a zároveň napodobují mechanické vlastnosti živé tkáně. Doktorandka Romana Malečková z Centra materiálového výzkumu FCH VUT se ve své dizertaci pod vedením profesora Weitera zaměřuje na výzkum, který zní jako sci-fi, ale má potenciál zásadně změnit medicínu.
Představte si, že byste připojili baterku a diodu k dětskému želé – a ta se rozsvítí. To je reálný základ výzkumu vodivých hydrogelů. Hydrogely jsou látky složené z trojrozměrné sítě polymerů, které dokážou zadržet velké množství vody – až 90 % a více, podobně jako naše tkáně. Pokud se ale na místo běžných polymerů použijí ty vodivé, může vzniknout vodivý hydrogel.
Lidské tělo je extrémně dynamické prostředí – plné vody, pohybu a přirozených iontových procesů. Naopak elektronika je založena na pevných, suchých a rigidních materiálech. Rozdíl mezi těmito odlišnými světy je v jejich mechanických vlastnostech obrovský, asi jako bychom do želé zabodli vidličku. Právě kontakt těchto dvou odlišných světů – živého těla a neživé techniky – bývá problematický. Hydrogel však přináší unikátní řešení. Díky své měkkosti, vysokému obsahu vody a schopnosti vést jak ionty, tak elektrony, vytváří ideální rozhraní mezi buňkami a přístroji. Může tak zprostředkovat efektivní komunikaci mezi tělesnými strukturami a elektronickými zařízeními.
Vědkyně Romana Malečková se dlouhodobě věnuje výzkumu organických vodivých materiálů, přičemž jejím hlavním tématem se stal právě vodivý hydrogel. Na tento směr ji přivedla už bakalářská a diplomová práce, kdy pracovala s tzv. organickými vodivými materiály. Ty – na rozdíl od běžných kovů – mají uhlíkovou kostru, jsou vodivé a zároveň tělem lépe přijímané. „I když jsme z nich uměli vyrobit relativně pružné tenké vrstvy, pořád mechanicky neodpovídaly měkkým tkáním v těle. A právě hydrogely jsou svými vlastnostmi živé tkáni mnohem podobnější,“ přibližuje.
Potenciál tohoto přístupu je podle ní obrovský: „U běžného implantátu z anorganického kovu si tělo dříve či později vytvoří kolem zjizvenou tkáň, aby se chránilo před opakovaným mechanickým poškozením. To ale zhoršuje funkčnost implantátu – signály přes zjizvenou tkáň hůře procházejí, snižuje se efektivita přenosu informací, a tedy i celého zařízení. Nebo mohou přijít nežádoucí imunitní reakce. Když ale použijeme materiál, který je měkký a vodivý zároveň, tělo ho bude přijímat lépe. Bioelektronika z hydrogelu tak může být efektivnější i šetrnější.“
Její článek, který se stal hlavním tématem na obálce prestižního časopisu Material Advances, potvrdil význam její práce a přinesl uznání nejen v rámci týmu, ale i širší vědecké komunity. „Byl to můj první prvoautorský článek a přiznám se, že jsem měla obavy, jak bude přijat. Ale vyšlo to skvěle. Je to pro nás povzbuzení a potvrzení, že tento směr má smysl a měli bychom v něm pokračovat dál,“ shrnuje vědkyně. 
Přelomový materiál PEDOT:DBSA
V rámci svého výzkumu pracuje Romana Malečková s materiálem zvaným PEDOT:DBSA. Tento vodivý polymer vznikl jako alternativa k běžně používanému PEDOT:PSS, který se dlouho považoval za zlatý standard v organické bioelektronice – jak v tenkovrstvých aplikacích, tak v hydrogelových. „Je stabilní jak z hlediska teploty, tak chemického složení, dobře se s ním pracuje, tvoří vodné disperze a považuje se za biokompatibilní. Ale v poslední době se ukazuje, že to s jeho biokompatibilitou není až tak horké, hlavně v dlouhodobějších aplikacích,“ objasňuje. Vědci totiž zjistili, že jeho stabilita ve vodném prostředí – tedy v prostředí těla – není zcela ideální.
Volba PEDOTu:DBSA přinesla i další výhodu. Jiné týmy se pokoušely nahradit protiionty v PEDOTu přírodními molekulami, například polysacharidy jako hyaluronan nebo ulvan. Výsledkem byl sice nárůst biokompatibility, ale za cenu výrazného poklesu vodivosti, kterou narušuje velikost daných molekul. Naopak DBSA jako relativně malá molekula tolik nenarušuje elektronické vlastnosti materiálu a umožňuje zachovat potřebnou vodivost.
Dalším důležitým přínosem je jednoduchost přípravy. Nejsou potřeba vysoké teploty ani náročné chemické procesy. Materiál vzniká spontánně při pokojové teplotě přidáním malého množství DBSA do polymeru. To výrazně snižuje energetickou i finanční náročnost výroby, což je důležitý krok k jeho praktickému využití. DBSA je navíc běžně používaný surfaktant, například v šamponech. Tento přístup nejen zjednodušuje výrobu, ale umožňuje i její využití v citlivých aplikacích, kde je třeba, aby při výrobě byly přítomny buňky. „Protože nepoužíváme vysoké teploty, tak by to možné bylo,“ dodává. 
Měkkost jako klíč k biokompatibilitě
Měkkost hydrogelu je zásadní. Zatímco běžné kovy mají Youngův modul (tedy míru elasticity materiálu) v řádech gigapascalů, lidské tkáně se pohybují mezi 0,1–100 kilopascaly. Když je rozdíl mechanických vlastností tak velký, tělo na cizí materiál reaguje. Měkkost a přizpůsobivost hydrogelu tomu pomáhají předcházet.
Mechanické vlastnosti hydrogelu lze jednoduše upravit změnou množství surfaktantu, který se přidává k polymeru a způsobí tak vznik provázané hydrogelové sítě. Běžně se používá koncentrace kolem 5 %, ale i malé změny tohoto množství výrazně ovlivní výsledné mechanické vlastnosti gelu. Díky tomu lze materiál přizpůsobit různým typům tkání – některé jsou o něco tužší, jiné měkčí – a připravit ho tak „na míru“ konkrétnímu použití v těle.
Vedle mechanických vlastností je pro využití hydrogelu v těle důležitá i jeho vodivost. „Impedance je přirozený odpor tkání vůči elektrickému proudu a mění se v závislosti na frekvenci, s jakou proud do těla přivádíme,“ vysvětluje Romana Malečková. „Nízké frekvence, například kolem 1 Hz, jsou důležité pro některé typy stimulace, protože odpovídají přirozené elektrické aktivitě buněk, jako jsou neurony.“ Nízká impedance při těchto frekvencích je proto klíčová, zejména pro aplikace spojené se stimulací tkání. „Jsme rádi, že se nám hydrogel podařilo navrhnout tak, že má ve srovnání s běžnými hydrogely, které kromě vodivé složky obsahují také nevodivé gelové sítě, jako je agaróza nebo želatina, velmi nízkou impedanci. To je pro budoucí aplikace velká výhoda,“ doplňuje. 
Společně napříč obory
Vývoj vodivých hydrogelů je týmová práce v tom nejlepším smyslu slova. Na výzkumu se podílí odborníci z různých oblastí – od materiálových vědců přes specialisty na hydrogely až po experty na fyziku či elektrochemii. „Hydrogely pro nás byly úplně nové, když jsme začínali,“ přiznává doktorandka. Právě proto tým úzce spolupracoval se skupinou doktora Smilka, která se na hydrogely specializuje. Ti poskytovali cenné rady ohledně mechanických vlastností materiálů i metod jejich charakterizace.
Složitá byla zejména oblast elektrického měření. „Nenašli jsme v literatuře jednoznačný postup, často se hydrogely před měřením vysušují, což ale zcela zásadně mění jejich vlastnosti,“ vysvětluje. S tímto úkolem pomohla skupina profesora Hubálka z CEITECu VUT, která výzkumníkům pomohla nastavit měření přímo v hydratovaném stavu. Biokompatibilitu pak ověřovali ve spolupráci s Biofyzikálním ústavem AV ČR.
Jednou z nejtěžších fází bylo najít způsob, jak hydrogel elektricky měřit. „Bylo to hodně frustrující, protože jsme se neměli čeho chytit,“ přiznává vědkyně. A pak přišla pandemie covidu, která výzkum na čas přerušila. Právě nutnost hledat vlastní řešení ale považuje za jeden z největších přínosů celého procesu a neustálé objevování nového ji na vědě nejvíc baví. „Je to taková detektivka. Člověk zkouší nové cesty, hledá řešení, odhaluje skryté souvislosti. Někdy je to náročné, ale většinou mi to ani nepřijde jako práce,“ popisuje s úsměvem. Vzpomíná, jak si jako malá představovala práci jako něco, co člověk musí dělat kvůli obživě. Dnes má to štěstí, že může dělat něco, co ji skutečně naplňuje.
Velkou inspirací jsou pro ni kolegové z její vědecké skupiny organické elektroniky a fotoniky. „Každý z nás se zaměřuje na trochu jiný kout materiálových věd a vlastně se věnujeme i dost odlišným aplikacím, které ale spojují společné fyzikální principy. Jsou to všechno talentovaní vědci, od kterých se neustále učím, jak můj výzkum posouvat dál a jak dělat vědu špičkově. Především jsou to ale taky skvělí lidé, kterých si moc vážím po lidské stránce a se kterými výzkum nikdy není nuda,“ říká Romana Malečková.
Výzkum vodivých hydrogelů je v Česku stále ojedinělý – na VUT je aktuálně jediný svého druhu. „Nejvíc na něm spolupracuji s mojí kolegyní Šárkou Tumovou, je to naše společné dítě,“ dodává s úsměvem. 
Z laboratoře k pacientovi
Vodivé hydrogely na bázi PEDOTu jsou poměrně nové téma, ale jejich vývoj v posledních letech výrazně akceleruje. Nová generace bioelektronických materiálů se formuje právě teď – roste počet typů hydrogelů a zlepšuje se jejich pochopení i využití v praxi. Romana Malečková odhaduje, že praktické využití bude možné během 5 až 10 let, v závislosti na rychlosti klinického testování. Uplatnění se očekává především ve zdravotnických zařízeních.
Vysoká měkkost nového hydrogelu zatím neumožňuje jeho implantaci hluboko do těla, ale otevírá prostor v oblasti regenerativní medicíny. U rozsáhlejších a špatně se hojících poranění by mohl fungovat jako aktivní krytí rány, které umožní cílenou stimulaci buněk k regeneraci. Výhodou je také možnost do hydrogelu přimíchat růstové faktory, antibiotika nebo jiné látky přímo podporující hojení. Vysoký obsah vody udržuje prostředí vlhké, čímž podporuje rychlejší a efektivnější hojení. Oproti současným metodám tzv. mokrého hojení přidává tento materiál ještě elektrostimulaci.
Hydrogel může v budoucnu fungovat také jako součást senzorů, které budou monitorovat konkrétní chemické látky v těle pacienta – například v potu, krvi nebo jiných tělních tekutinách. Právě toto cílené sledování individuálních hodnot je typickým příkladem personalizované medicíny. Senzory založené na hydrogelu se přizpůsobí konkrétnímu člověku a jeho potřebám, čímž mohou nabídnout efektivnější péči i prevenci.
Mladým lidem, kteří přemýšlí o dráze ve vědě a konkrétně bioelektronice, by Romana Malečková doporučila nebát se mezioborových výzev. „Je to oblast, do které se hodně investuje, hlavně kvůli stárnutí populace a nárůstu civilizačních onemocnění. Bioelektronika může nabídnout řešení, ale je to běh na dlouhou trať,“ vysvětluje. Klíčem je podle ní spolupráce a otevřenost více oborům – od materiálové vědy, přes fyziku a elektrochemii, až po biologii.
Bioelektronika je podle ní oblast s obrovským potenciálem. „Je toho ještě hodně, co objevovat, a zároveň to dává hluboký smysl. Tento výzkum má dopad na budoucnost lidstva – a to je silná motivace,“ uzavírá.
-jo-
| Publikováno | |
|---|---|
| Odkaz | https://www.fch.vut.cz/f96620/d292013 |