Außerordentlich elastisches und reißfestes Hydrogel
Neues Material lässt sich bis zum Zwanzigfachen seiner Länge dehnen und kehrt in seine Ursprungsform zurück.
Im Alltag kennt man Hydrogele etwa von weichen Kontaktlinsen oder als Tofu. Sie besitzen aber auch für medizinische Anwendungen ein breites Potenzial, etwa als Arzneiträger oder in der biotechnologischen Gewebebearbeitung. Ihre Möglichkeiten sind allerdings durch ihre geringe mechanische Belastbarkeit beschränkt. Durch die wechselseitige Verknüpfung zweier verschiedener Polymersorten konnten US-amerikanische und koreanische Forscher nun ein hochgradig reißfestes Hydrogel erzeugen. Der Clou ihrer Entwicklung liegt darin, im Hydrogel ein doppeltes Netzwerk aus zwei unterschiedlich festen Materialien zu knüpfen, die sich gegenseitig verstärken. Wie die Forscher melden, kann das neue Hydrogel bis zum Zwanzigfachen seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden und anschließend in seine Ausgangsform zurück kehren.
Abb.: Das neue Hydrogel besitzt eine enorme Reißfestigkeit und Zähigkeit. In diesem Versuch wird es bis zum 21fachen seiner Länge gedehnt. (Bild: Sun et al., Nature)
Die neuen Erkenntnisse sind für Gewebeforscher interessant, denn robuste Hydrogele könnten beim Ersatz oder der Verstärkung von beschädigten Knorpeln neue medizinische Einsatzfelder eröffnen. Beschädigte Knorpel können heute noch nicht ausgetauscht werden, sondern man muss stattdessen etwa ein ganzes Knie in Metall implantieren.
Hydrogele sind Lösungen von Polymeren in Wasser, wobei die Molekülketten der Polymere miteinander vernetzt sind, so dass das Material eine gewisse Stabilität erhält. Sie bestehen aus bis zu 90 Prozent Wasser. Deshalb ist ihre mechanische Belastbarkeit üblicherweise gering. Sie werden heute deshalb dort eingesetzt, wo keine bedeutenden Kräfte auftreten, wie etwa bei der biotechnologischen Gewebebearbeitung oder als Arzneiträger. Die meisten Hydrogele sind spröde und anfällig gegenüber Rissen, vor allem an Kerben.
Das neue Hydrogel ist gegenüber solchen Beschädigungen extrem resistent, denn es besteht aus einer besonderen Kombination von Alginat und Polyacrylamid. Die Forscher führen die Zähigkeit ihres Gels auf das Zusammenspiel zweier Mechanismen zurück: Das primäre Netzwerk aus dem Polymer Polyacrylamid besitzt kovalente Bindungen und ist mit dem sekundären Netzwerk aus Alginat verbunden, das ionische, kalziumbasierte Verbindungen eingeht. Diese Alginat-Verbindungen können sich wie ein Reißverschluss auftrennen und wieder zusammenfügen, heilen also quasi von selbst. Gleichzeitig verteilen sie auftretende Kräfte im Material, so dass die starken Bindungen des Polyacrylamids nicht punktuell aufreißen.
Durch diese geschickte Kombination von starken und schwachen Verbindung konnten die Forscher ein Material erzeugen, das deutlich höhere Bruchenergien aufweist als seine beiden Ausgangsstoffe. Das neue Hydrogel erreicht je nach Anteil von Alginat und Polyacrylamid Werte von bis zu 8700 Joule pro Quadratmeter, gegenüber einem Wert von 10 bis 250 bei den Ausgangsstoffen. Es reißt erst bei einer Zugspannung von 156 Kilopascal, Alginatgel hingegen bei 3,7 und Polyacrylamidgel bei 11 Kilopascal. Auch bei der Elastizität übertrifft das kombinierte Hydrogel die Einzelsubstanzen deutlich und erreicht einen Dehnfaktor von 23 im Vergleich zu 1,2 für Alginatgel und 6,6 für Polyacrylamidgel. Einen weiteren Vorteil ihres Produkts sehen die Wissenschaftler darin, dass es einfach zu synthetisieren ist.
Dirk Eidemüller
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