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Mechano-chromic, Voltage-sensitive Electrostimulators: Innovative Piezoelectric Biomaterials for Electro-stimulated Cellular growth

Applicant Pané Vidal Salvador
Number 192012
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Robotik und Intelligente Systeme ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.09.2020 - 31.08.2023
Approved amount 532'160.00
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Keywords (4)

PLLA; piezoelectric; tissue regeneration; electrostimulation

Lay Summary (German)

Lead
Elektrizität spielt eine wichtige Rolle bei der Adaptierung der physiologischen Aktivitäten des Menschen. In Kliniken, wurden dazu Elektrotherapien zur Behandlung von neuromuskulären Dysfunktionen, Geweberegeneration und Wundheilung entwickelt. Mehrheitlich bedürfen diese Elektrotherapien einer Implantierung von Elektroden in den menschlichen Körper, was weder praktisch noch komfortabel ist. Die drahtlose Elektrostimulation von Zellen und Geweben mit piezoelektrischen Materialien ist eine aufkommende Technik, welche erst kürzlich vorgestellt wurde. Diese Technik ist vielversprechend für die Entwicklung fortschrittlicher Ansätze zur Wundheilung und Regeneration einer Vielzahl von Geweben.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Ziel dieses Projekts ist, die nächste Generation implantierbarer / selbstentfernender piezoelektrischer Elektrostimulatoren zu entwickeln, welche die Elektrostimulation auf zellulärer Ebene erfassen und steuern können. Der Inhalt umfasst die folgenden Teilaufgaben: 1. Entwicklung neuartiger biokompatibler und biologisch abbaubarer organischer Piezoelektrika zur elektrischen Stimulation von Zellen; 2. Entwicklung molekularer Sensoren zur Erfassung und Überwachung der elektrischen Stimulationsprozesse auf zellulärer Ebene; 3. Entwicklung von Elektrostimulationsgeräten durch Integration der neuartigen Piezoelektrik und molekularen Sensoren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Die heutige Nachfrage nach Tissue Engineering wird insbesondere durch die Anzahl der Operationen hervorgehoben, wie sie zum Beispiel bei  Knochentransplantationen oder Knochenersatzmaterial durchgeführt werden (ca. 3,5 Millionen). Die erfolgreiche Umsetzung dieses Projekts wird die Bereiche Tissue Engineering, Biomaterialwissenschaft und Elektrotherapie erheblich beeinflussen, indem innovative Lösungen angeboten werden. Die Verwendung von Piezoelektrizität, in der Entwicklung von weichen und drahtlosen Geräten, wird voraussichtlich einen sehr starken Einfluss auf die Leistung, Wirksamkeit und Sicherheit von Elektrostimulatoren haben, die in der klinischen Praxis verwendet werden. Es wird erwartet, dass die Investition in die innovative Technologie des Tissue Engineerings eine Chance für eine bessere Gesundheitsversorgung und eine Verbesserung der Lebensqualität darstellt.

Direct link to Lay Summary Last update: 27.05.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Electro-stimulation, based on mimicking natural regenerative process in living organisms, is an expanding new field expected to revolutionize tissue engineering. In line with recent findings, electrostimulation can be very effective in healing and regeneration. However there is a need for a very precise control during electro-stimulation in order to fully explore its capacities and boost its efficacy. Design of electro-stimulating active surfaces has been significantly improved recently. Still, there is a need to put significantly more efforts in finding a way how to control events and interactions that take place locally at cellular level and how to orient them toward a need of tissue recovery. Objective of this project is to design next generation of implantable / self-removing piezoelectric electrostimulators able to sense, detect and control electrostimulation at cellular level. We plan to join Slovenian partner expertise is processing organic piezo-polymers and surface functionalization with our expertise in magnetoelectric micro-/nano- robots toward finding innovative solutions that will provide higher precision in electrostimulation. For that purpose we aim: (i) designing novel organic piezoelectrics with hydrophilic surface, biodegradability and biocompatibility (by processing piezoelectric, surface-modified- PLLA structures), (ii) designing and incorporating tools for mechano-voltage detection able to measure and emit information detected during stimulation (by functionalizing mechano- and voltage- sensitive dyes to magnetoelectric nanoparticles and piezo-polymeric matrix), (iii) constructing novel piezoelectric device able to detect, heal and self-remove and (iv) exploring electrostimulation at cellular level by visualizing mechanical deformation and generated voltage. As a result we expect a valuable new knowledge about cross-communication between piezoelectric device and cells and obtaining precise information about a strain locally generated on interface between piezoelectric surface and contacting cells, intensity of produced electrical signal directly transferred from piezo-surface to cell membrane and correlations between stimuli and cellular reply.A novel way of thinking conceptualized through controlling the interactions between piezo- surfaces and cells, expected to be developed within this project, will have strong impact to further development and application of electrostimulation in tissue regeneration. Introducing novel tools in electrostimulator design (like voltage-sensitive and mechano-chromic dyes) will lead to solid knowledge, with more correlations, and consequently bring to significant breakthroughs in this field and open exciting new possibilities for various biomedical applications.
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