Superkleber aus wässrigem Hydrogel

Nach dem Vorbild der enormen Haftkraft von Muscheln wurden bereits viele Kleb­stoffe entwickelt. Doch diese bionischen Kleber halten meist nur in trockener Umgebung. Eine Forscher­gruppe am Massachusetts Institute of Technology hat nun einen anderen Ansatz verfolgt. Die Wissen­schaftler schufen ein wässriges Hydrogel, das selbst auf glatten Flächen eine rekord­verdächtige Haft­kraft zeigt. Diese neue Klebe­technik könnte in der Robotik Anwendung finden und die Lebens­dauern ortho­pädischer Prothesen verlängern.

Xuanhe Zhao und seine Kollegen beschichteten für ihre Klebe­technik glatte Ober­flächen aus Glas, Silizium, Titan und Aluminium mit einer dünnen Lage aus funktionellem Silan (Trimethoxy­silyl­propyl­metha­crylat). Danach verstärkten sie eine flexible und transparente Kunst­stoff­schicht aus Poly­acryl­amid durch die Zugabe von Salzen der Algin­säure. Diese Alginate bauten im Kunststoff ein Netzwerk reversibler Bindungen auf. So entstand ein flexibles Hydrogel, dass die Forscher auf die verschiedenen Flächen legten und dabei kovalente Bindungen zur der Silan-Beschichtung aufbaute.

Um die Haftkraft dieses Hydrogel zu bestimmen, pellten es die Forscher mit einer mess­baren Zug­spannung wieder ab. Dabei ergaben sich sehr hohe Werte von bis zu 1500 Joule pro Quadrat­meter. Zum Vergleich: Die stark belastbaren Verbindungen von Sehnen und Knorpel im menschlichen Bewegungs­apparat erreichen Werte von etwa 800 J/m². Selbst in Wasser verschlechterte sich die Haftung des Hydrogels nur wenig und erreichte immer noch etwa 1200 J/m². Diesen geringen Einfluss erklärten die Forscher mit dem großen Wasser­anteil im Hydrogel von etwa neunzig Gewichts­prozent.

Zwei Erklärungen führen Zhao und Kollegen für ihre ungewöhnlich starken Klebe­verbindungen an. Zum einen baut das Hydrogel stabile kovalente Bindungen zur Silan-Beschichtung auf. Zum anderen kann die Netzwerk­struktur des Hydrogels dank des eng­maschigen Netzwerks aus Polymer­ketten mit vielen reversiblen Verknüpfungs­punkten die unter Zugspannung zu absorbierende mechanische Deformations­energie sehr gut verteilen. Vergleichende Versuche mit anderen Hydrogelen ohne Alginat-Zusätze waren deutlich weniger stabil und bestätigten die wichtige Rolle der Energie-Dissipation.

Zahlreiche Anwendungen etwa für Roboter­gelenke und ortho­pädische Implantate können sich die Forscher nun mit diesen bio­kompatiblen Hydrogelen, die selbst in feuchter Umgebung sehr gut haften, vorstellen. Da die Hydrogele über die im Wasser gelösten Ionen auch elektrischen Strom leiten, wären sie auch zur Leitung von Steuer­signalen oder Daten ergänzter Sensoren geeignet.

Jan Oliver Löfken

RK