Forscher haben ein einzigartiges Hydrogel geschaffen, das dank nanoschichtverstärkter Polymerverflechtungen sowohl robust als auch selbstheilend ist. Das Material, das sich innerhalb von Stunden selbst reparieren kann, könnte künstliche Haut, Robotik und medizinische Anwendungen revolutionieren.
Gele sind in allem zu finden, von Haarprodukten bis hin zu Lebensmitteln mit geleeartiger Textur. Obwohl die menschliche Haut einige gelartige Eigenschaften hat, ist es schwierig, sie zu reproduzieren. Die Haut ist sowohl steif als auch elastisch und verfügt über eine außergewöhnliche Fähigkeit, sich selbst zu heilen – oft wird sie innerhalb von 24 Stunden nach der Verletzung vollständig repariert.
Bisher konnten künstliche Gele nur die Härte der Haut oder ihre Fähigkeit zur Selbstreparatur nachahmen, nicht jedoch beides. Ein Forschungsteam der Aalto-Universität und der Universität Bayreuth hat diese Einschränkung nun überwunden. Sie haben ein Hydrogel mit einer einzigartigen Struktur entwickelt, das Stärke und Selbstheilungskräfte vereint und so den Weg für Fortschritte in der Medikamentenverabreichung, Wundheilung, Soft-Robotik und künstlicher Haut ebnet.
In dieser bahnbrechenden Studie verbesserten Forscher ein Hydrogel, indem sie ultradünne große Ton-Nanoblätter hinzufügten. Hydrogele sind normalerweise weich, aber das neue Material bildet eine hochgeordnete Struktur mit dicht verwickelten Polymeren zwischen Nanoblättern. Dadurch wird das Hydrogel nicht nur stärker, sondern kann sich auch nach Schäden selbst heilen.
Die Forschung wurde heute (7. März) in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Das Geheimnis dieses Materials liegt nicht nur in der geordneten Anordnung der Nanoblätter, sondern auch im Polymergewirr zwischen den Nanoblättern und einem so einfachen Prozess wie dem Backen. Der Postdoktorand Chen Liang vermischte das Monomerpulver mit Wasser, das die Nanoblätter enthielt. Die Mischung wird dann unter eine UV-Lampe gestellt – eine Stylinglampe ähnlich einem Gel-Nagellack. „Durch die ultraviolette Strahlung der UV-Lampe verbinden sich die einzelnen Moleküle miteinander und verwandeln alles in einen elastischen Feststoff – ein Gel“, erklärt Liang.
Zhang Hang von der Aalto-Universität fügte hinzu: „Verschränkung bedeutet, dass dünne Polymerschichten beginnen, sich wie winzige Wollgarne miteinander zu verschränken, allerdings in zufälliger Reihenfolge. Wenn die Polymere vollständig verschlungen sind, sind sie nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Sie sind auf molekularer Ebene sehr aktiv und mobil, und wenn man sie schneidet, beginnen sie sich wieder zu verflechten.“
Vier Stunden nach dem Schneiden mit einem Messer war das Material bereits zu 80 % bzw. 90 % selbstheilend. Darüber hinaus enthält das einen Millimeter dicke Hydrogel 10.000 Schichten Nanoblätter, wodurch das Material so steif wie menschliche Haut ist und das gleiche Maß an Dehnbarkeit und Flexibilität aufweist.
„Die Steifigkeit, Festigkeit und Selbstheilungseigenschaften von Hydrogelen stellen seit langem eine Herausforderung dar. Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der herkömmliche weiche Hydrogele stärkt. Dies wird die Entwicklung neuer Materialien mit bioinspirierten Eigenschaften revolutionieren.“
„Diese Arbeit ist ein spannendes Beispiel dafür, wie Biomaterialien uns dazu inspirieren können, neue Kombinationen von Eigenschaften für synthetische Materialien zu finden. Stellen Sie sich Roboter mit haltbarer, selbstheilender Haut oder synthetische Gewebe vor, die zur autonomen Reparatur fähig sind“, sagte Olli Ikkala von der Aalto-Universität. Auch wenn praktische Anwendungen noch in weiter Ferne liegen, stellen die aktuellen Ergebnisse einen entscheidenden Fortschritt dar. Dies ist eine grundlegende Entdeckung, die die Materialdesignregeln aktualisieren könnte.
Zusammengestellt von /scitechdaily