Tintenfischgewebe und Chemie werden zu vielseitigen Hydrogelen kombiniert

Forscher der Universität Hokkaido in Japan haben natürliches Tintenfischgewebe mit synthetischen Polymeren kombiniert, um ein starkes und vielseitiges Hydrogel zu entwickeln, das viele der einzigartigen Eigenschaften biologischer Gewebe nachahmt. Hydrogele sind Polymernetzwerke, die große Mengen Wasser enthalten und für viele Anwendungen erforscht werden, darunter medizinische Prothesen, weiche Roboterkomponenten und neuartige Sensorsysteme.

Das Hokkaido-Team berichtet in der Zeitschrift über seinen Beitrag zu diesem schnelllebigen Forschungsgebiet Materialien von NPG Asia.

Natürliche biologische Gewebe weisen einzigartige Eigenschaften auf, die für ihre Funktionen unerlässlich sind und die Forscher in Hydrogelen nachzubilden suchen. Muskeln haben zum Beispiel zusätzlich zu Kraft und Flexibilität physikalische Eigenschaften, die in verschiedene Richtungen variieren und aus einer Hierarchie von zusammenarbeitenden Strukturen aufgebaut sind. Auch Knochen und Blutgefäße weisen diese Merkmale auf, die als hierarchische Anisotropie bekannt sind.

Im Gegensatz zu den natürlichen Geweben, die Forscher nachahmen möchten, haben die meisten synthetischen Hydrogele einheitliche Eigenschaften in alle Richtungen und sind strukturell schwach.

„Durch die Kombination der Eigenschaften von Tintenfischgewebe mit synthetischen Polymeren haben wir eine Hybridstrategie demonstriert, die als allgemeine Methode zur Herstellung von Hydrogelen mit nützlicher hierarchischer Anisotropie und auch Zähigkeit dient“, sagt der Polymerwissenschaftler Tasuku Nakajima vom Team der Hokkaido University.

Der Herstellungsprozess beginnt mit einem im Handel erhältlichen gefrorenen Tintenfischmantel – dem äußeren Hauptteil eines Tintenfischs. Bei lebenden Tintenfischen dehnt sich der Mantel aus, um Wasser in den Körper aufzunehmen, und zieht sich dann stark zusammen, um Wasser als Strahl nach außen zu schießen. Diese Fähigkeit hängt von den anisotropen Muskeln im Bindegewebe der Tintenfische ab. Die Forscher nutzten die molekularen Anordnungen innerhalb dieses natürlichen Systems, um ihr bionachahmendes Gel herzustellen.

Chemische und Wärmebehandlung von dünnen Scheiben des aufgetauten Tintenfischgewebes gemischt mit Polyacrylamid-Polymermolekülen initiierte die Bildung des vernetzten Hybrid-Hydrogels. Es hat eine sogenannte Doppelnetzwerkstruktur, bei der das synthetische Polymernetzwerk in das natürlichere Muskelfasernetzwerk eingebettet und verbunden ist, das aus dem Tintenfischmantel stammt.

„Das von uns synthetisierte DN-Gel ist viel stärker und elastischer als der natürliche Tintenfischmantel“, erklärt Professor Jian Ping Gong, der das Team leitete. „Die einzigartige Verbundstruktur macht das Material außerdem beeindruckend bruchfest, viermal zäher als das Originalmaterial.“

Die aktuelle Proof-of-Concept-Arbeit sollte nur der Anfang für die Erforschung vieler anderer Hybridhydrogele sein, die die einzigartigen Eigenschaften anderer natürlicher Systeme nutzen könnten. Quallen wurden bereits als Materialquelle für einfachere Einzelnetzwerk-Hydrogele verwendet und sind daher eine naheliegende nächste Wahl für die Erforschung hybrider Doppelnetzwerk-Optionen.

„Mögliche Anwendungen umfassen lasttragendes künstliches Fasergewebe wie künstliche Bänder und Sehnen für medizinische Zwecke“, sagt Gong. Weitere Arbeiten des Teams werden die Biokompatibilität der Gele untersuchen und Optionen untersuchen, um eine Reihe von Gelen herzustellen, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind.