Vodivé polymery v biomedicíně

Měření elektrochemického potenciálu generovaného na buněčných membránách pomáhá už desítky let lékařům v diagnostice našeho zdravotního stavu – vzpomeňme např. na EEG či EKG . Vnější elektrické pole dokáže rovněž působit na řadu fyziologických procesů, včetně hojení ran. Tradičně využívané kovové vodiče mají řadu omezení a jejich funkci by proto mohly nahradit či doplnit vodivé polymery.

Když Luigi Galvani v roce 1792 popsal vliv elektřiny na funkci svalu, začalo být zřejmé, že elektrické jevy hrají v chování živých systémů významnou roli. Od té doby se poznání vlivu elektřiny na živé organismy významně rozšířilo. Pro lidskou fyziologii je klíčové elektrické pole generované v organismu pomocí gradientu iontů na biologických membránách. Toto pole ovlivňuje řadu pochodů, např. funkci nervových či svalových buněk.

V průběhu 20. století se rozvinula oblast medicíny zabývající se měřením elektrických signálů v organismu, např. v rámci studia funkce srdce či mozku. Postupně se rozvíjelo i využití jednoduchých kovových elektrod vhodných k ovlivnění biologických systémů. Například první studie, která popsala využití střídavého elektrického proudu k léčbě ventrikulární fibrilace u člověka, byla publikována již v roce 1956.

Membránový potenciál hraje klíčovou roli v mnoha biologických pochodech, jako jsou buněčné dělení, buněčná migrace či přenos signálů. Velikost membránového potenciálu je specifická pro konkrétní buněčné linie. U diferenciovaných linií se pohybuje v rozmezí −40 až −90 mV. Nižší potenciál je u nediferencovaných linií, např. oplodněné vajíčko vykazuje potenciál −8,5 mV, čtyřbuněčné embryo −23 mV a šestnáctibuněčné embryo −25 mV. Podobný potenciál jako nediferencované linie vykazují i linie nádorové. Obecně se dá říci, že míra membránového potenciálu souvisí se stupněm diferenciace a proliferační aktivitou buněk.

Organismy, respektive jejich buňky, ovšem dokážou vnímat i vnější elektrické pole, stejnosměrný i střídavý proud. Jako příklad uveďme vliv stejnosměrného proudu na hojení ran či pohyb buněk. V gradientu externího elektrického pole (0,1–10 V · cm⁻¹) se většina buněčných linií pohybuje (tzv. elektrotaxe či galvanotaxe) směrem ke katodě a pouze některé linie k anodě. Kromě migrace byl pozorován také vliv elektrického pole na proliferaci a diferenciaci buněk na umělých površích. Pro jednotlivé linie jsou popsána vhodná rozmezí hodnot elektrického pole v závislosti na užitém substrátu, době trvání a sekvenci elektrických pulzů stejnosměrného proudu. V posledních letech se objevují studie, které se zabývají synergickým efektem elektrických signálů a dynamických podmínek kultivace buněk, či vlivem elektrického pole na jejich migraci v trojrozměrném tkáňovém nosiči. Takové studie se díky svému experimentálnímu uspořádání přibližují popisu reálného chování buněk in vivo.