New-Yorkse onderzoekers hebben een composiet ontwikkeld waarin bacteriën en vloeibaar metaal samenwerken. De bacteriën verbeteren de elektrische geleiding door elektronen over te dragen aan het metaal. Maar daarnaast kunnen ze ervoor zorgen dat het materiaal zichzelf kan repareren bij scheurtjes. Dit maakt het veelbelovend als toepassing in draagbare, implanteerbare sensoren die in direct contact met levend weefsel staan.
Dat meldt Scientias. Onderzoekers van Binghamton University in New York hebben het voor elkaar gekregen om endosporen van de bacterie Bacillus subtilis toe te voegen aan vloeibaar gallium-indium metaal. Beiden worden in een speciaal composiet geplaatst.
Endosporen zijn extreem resistente bacteriën die zich als overlevingsstrategie in een rusttoestand bevinden. Zo passen ze zich aan aan extreme omstandigheden, zoals hittestress, droogte of een gebrek aan voedsel.
Elektronen overdragen
Wanneer deze endosporen uit de overlevingsstand komen en ontkiemen kunnen ze elektronen overdragen aan het vloeibare metaal, waardoor de geleidbaarheid van de legering verbetert.
Een dergelijke vorm is toepasbaar in bijvoorbeeld draagbare of implanteerbare sensoren in het menselijk lichaam. Een vorm van bio-elektronica dus, voor “dynamische communicatie en integratie tussen elektronische en biologische systemen”.
Prof. Seokheun Choi die bij het onderzoek betrokken is, verklaart dat mensen moleculen en ionen gebruiken voor metabolisme of signalering.
“Maar elektronica is uitsluitend afhankelijk van elektronen.” Door die mismatch ontstaan communicatiefouten, geeft hij aan.
Sensoren in menselijk lichaam
Met het nieuwe composiet kan dit worden voorkomen. “Elektrogene bacteriën (cellen die kleine hoeveelheden energie opwekken) gebruiken moleculen en ionen maar genereren ook elektronen,” legt Choi uit.
“De vraag is hoe we deze elektrogene bacteriën naadloos kunnen integreren in een levende elektrode om deze twee systemen met elkaar te verbinden.” Zo kan de kloof tussen biologische en elektronische systemen gedicht worden.
Belangrijk is volgens hem ook dat het composiet als geïmplanteerd sensormateriaal zichzelf kan repareren. Huid, spieren en interne weefsels bewegen immers continu waardoor microscheurtjes of beschadigingen kunnen ontstaan.
Als de endosporen ontkiemen, vult het materiaal zijn eigen gaten op, ontdekten de onderzoekers.
Geleidende polymeren: oxidevorming
Bij eerdere bio-elektronische projecten maakte Choi gebruik van geleidende polymeren, juist omdat vloeibare metalen uitdagingen vormen voor integratie.
De hydrofobe eigenschappen van metalen (dat zij water afstoten en er niet mee mengen) belemmeren namelijk de hechting aan elektronische substraten.
Daarnaast leidde blootstelling aan lucht en water tot de vorming van een oxidelaag. Deze oxide beperkte de stroom van elektronen en verstoorde de communicatie tussen elektronische en biologische systemen.
Ook geen naadloze interface
Maar polymeren hadden ook hun eigen problemen. Zo was de interface niet naadloos, geeft Choi aan. “Daar was ik niet tevreden over. En hoewel polymeren geleidend zijn, zijn ze dat niet in dezelfde mate als metaal.”
“Bovendien wordt de meeste bio-elektronica in zeer zware omstandigheden gebruikt, waardoor deze onderhevig is aan mechanische schade. Ik vond dus dat ze zelfherstellende eigenschappen moesten hebben.”
Composiet, bacteriën en metaal: betere geleiding
Hij kwam bij elektrogene bacteriën die wel eens de sleutel konden zijn. Door vloeibaar metaal te combineren met bacteriën overwint het composietmateriaal in zijn ogen veel van de beperkingen van uitsluitend vloeibaar metaal.
“Als we de sporen combineren met de vloeibare metaaldruppeltjes ontstaat een enorme aantrekkingskracht, omdat de sporen een wisselwerking aangaan met de vloeibare metaaloxidelagen”, legt Choi uit
“Deze sterke kracht breekt de oxidelagen zodat het metaal geleidend kan worden.”
Nog nadere testen nodig
Het gaat overigens om eerste, voorzichtige resultaten. De onderzoekers geven zelf al aan er namelijk nog niet te zijn. Zo moeten ze de timing van het uitkomen van de sporen nog beter beheersen.
Bovendien dient nog te worden nagegaan of het composiet onder diverse omstandigheden lang genoeg stabiel blijft.
Pas daarna kan het veilig op of onder de huid worden toegepast.
