Dehnbare, haftende Biosensoren Auf dem Weg zu smarten, tragbaren und implantierbaren Sensoren

Biosensoren könnten die Gesundheitsversorgung künftig stärker prägen. Neue Technologien aus dem Caltech sind dehnbar, haften zuverlässig auf Organen und verbinden Diagnostik mit adaptiven Therapieansätzen. Anwendungen wie Herzüberwachung oder gezielte Nervenstimulation zeigen, wie eine langfristige, personalisierte Behandlung direkt im und am Körper möglich werden kann.

Tragbare und implantierbare Biosensoren könnten die Gesundheitsversorgung grundlegend verändern. Sie ermöglichen es, Krankheiten frühzeitig zu erkennen, kontinuierlich zu überwachen und gezielt zu behandeln. Jüngste Innovationen im Labor von Wei Gao, Professor für Medizintechnik am Caltech, treiben dieses Feld voran. Sein Team entwickelt weiche, dehnbare und gewebeintegrierte Bioelektronik für die kontinuierliche Messung und adaptive Therapie. Zwei neue Studien zeigen Fortschritte bei Materialien und Technologien auf, die unterschiedliche Herausforderungen und Anwendungen adressieren.

Dehnbare Sensoren für dynamische Umgebungen

Ein zentrales Problem bisheriger Biosensoren ist ihre mangelnde Flexibilität. Bewegungen von Organen – etwa des Herzens – führen oft zu Signalverlusten oder Materialversagen. Gaos Team entwickelte ein bioelektronisches Material, das auch bei Verformung leitfähig und fest mit der Haut oder dem Gewebe verbunden bleibt. Diese super-dehnbare, biokompatible Schnittstelle erfüllt eine zentrale Anforderung für die nächste Sensorgeneration. Das Material SIRES (Stretchable Interface for Elastic Electrochemical Sensing) bleibt auch bei starker Verformung funktionsfähig und kann sich um bis zu 300 Prozent dehnen, ohne an Leistungsfähigkeit zu verlieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Herkömmliche Sensoren versagen oft, wenn sich das Organ bewegt, an dem sie befestigt sind. Um dies zu lösen, entwickelte Gaos Team ein dreiteiliges Material auf Basis von Polyurethan, einem gummiartigen, biokompatiblen Kunststoff.

• 1. Der Leiter: Statt Standarddrähten verwendeten die Forscher Flüssigmetall. Dieses lässt sich dehnen, während der elektrische Widerstand stabil bleibt.

• 2. Die Elektrode: Normale Elektroden aus Gold oder Kohlenstoff-Nanoröhren brechen oft schon bei leichter Dehnung. Das Team bettete Kohlenstoff-Nanoröhren so in Polyurethan ein, dass sie miteinander verbunden bleiben. Zwar nimmt die Leitfähigkeit beim Dehnen leicht ab, doch die gleichzeitig wachsende Oberfläche der Elektrode gleicht diesen Effekt wieder aus.

• 3. Die Beschichtung: Eine funktionale Polyurethan-Schicht ermöglicht es, Enzyme für chemische Messungen direkt einzubetten.

„Der Leiter, die Elektrode und die Funktionsschicht bestehen alle aus Polyurethan, in das verschiedene Stoffe eingebettet sind. Das bedeutet, dass das Ganze sehr dehnbar und zudem biokompatibel ist“, erklärt Gao. Tests an Schweißsensoren bei intensivem Sport sowie im Tiermodell an Organen wie Blase, Herz, Magen und Darm verliefen zuverlässig.

Haftende Plattform für Implantate mit Zusatzfunktion

Neben der Flexibilität ist die dauerhafte Haftung im Körper eine weitere Herausforderung. Sensoren müssen sicher auf nassem, beweglichem Gewebe sitzen – oft über Monate hinweg. Hier setzt die zweite Entwicklung an: eine implantierbare Plattform namens „ElHyX“ (Elastic Hydrogel X). Sie kombiniert Sensorik, Haftmaterial und therapeutische Funktionen in einem System.

„Das Spannende an dieser Arbeit ist, dass wir eine weiche, dehnbare implantierbare Plattform entwickelt haben, die fest an nassem Gewebe haften kann, während sie stabil bleibt, auch wenn sich der Körper bewegt“, sagt Jiahong Li (PhD '26), Postdoktorand in Gaos Labor und Erstautor der Arbeit. „Das Gerät kann gleichzeitig physikalische und chemische Signale überwachen und elektrische Stimulation liefern, was dazu beitragen könnte, nahtlosere und langlebigere Schnittstellen zwischen Elektronik und Körper zu ermöglichen.“

Um die Haftung auf nassen Oberflächen zu gewährleisten, entwickelten die Forscher ein spezielles Molekular-Hydrogel, eine netzartige 3D-Struktur aus wasserreichen Materialien, die dafür sorgt, dass das Klebemittel weich und flexibel bleibt. Sie fügten ein gummiartiges Elastomer hinzu, um sicherzustellen, dass sich die Substanz gemeinsam mit den Biosensoren dehnen kann. Wenn das Hydrogel auf feuchtes Gewebe trifft, entsteht eine chemische Reaktion (Polymerisation), die das Gerät fest mit dem Organ verbindet. Diese Verbindung kann über Monate hinweg stabil bleiben.

Durch die Kombination eines starken Klebstoffs mit dehnbaren chemischen Sensoren und Elektroden zur physikalischen Messung und elektrischen Stimulation gelang es den Forschern, eine kleine, implantierbare Plattform mit geschlossenem Regelkreis namens ElHyX (Elastic Hydrogel X, wobei X für die Multifunktionalität der Plattform steht) zu entwickeln, die Krankheiten überwachen und behandeln kann.

Im Tiermodell konnte das Gerät beispielsweise den Glukosespiegel überwachen und bei zu hohen Werten die Nerven stimulieren, die die Insulinausschüttung regulieren. Auch bluthochdruckbedingte Veränderungen am Herzen ließen sich so verfolgen.

Potenzial und nächste Schritte

Die Komponenten von ElHyX können mittels 3D-Druck kostengünstig und schnell hergestellt werden. Bevor Tests am Menschen möglich sind, arbeitet das Team an der langfristigen Stabilität und Zuverlässigkeit. „Im Gegensatz zu einem tragbaren Sensor müssen wir einen chirurgischen Eingriff vornehmen, um diese Plattform zu implantieren“, sagt Gao. „Das ist für uns noch ein recht neues Gebiet, daher besteht eine der wichtigsten Herausforderungen darin, sicherzustellen, dass es viele Monate und hoffentlich sogar Jahre lang hält.“ Zukünftig könnte ElHyX bei chronischen Krankheiten, Schmerzen oder Stress für eine personalisierte Behandlung eingesetzt werden.

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