Hydrogel wächst mit seinen Aufgaben

Bild: Tasuku Nakajima / Hokkaido University

Eine japanische Forschungsgruppe hat einen Kunststoff entwickelt, der sich nach einer Belastung nicht nur erholt, sondern sogar stärker wird. Das elastische Hydrogel besteht zu etwa 85 Prozent aus Wasser und enthält zwei verschiedene Kunststoffe, deren Netzwerke aus langkettigen Molekülen einander verschlungen sind.

Einer dieser beiden Kunststoffe, Poly-2-acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, ist stabil und spröde. Der zweite Kunststoff, Polyacrylamid, ist dehnbar und weich. Wird diese Mischung belastet, reißen die Molekülketten des spröden Kunstoffanteils. Der Anteil des weichen und dehnbaren Materials verhindert, dass das Hydrogel ingesamt zerreißt.

Radikale als Anknüpfungpunkte

Wenn die Molekülketten des spröden Kunststoffs reißen, entstehen an den Rissstellen freie Radikale. Diese Radikale können mit der Substanz reagieren, aus der der Kunststoff ursprünglich hergestellt wurde, dem sogenannten Monomer. Dabei wird die Molekülkette repariert. Zusätzlich gab das Team noch ein weiteres Monomer hinzu: N,N′,N″-Triacryloyldiethylentriamin. Dieses besitzt drei reaktive Stellen und kann damit aus den langen Molekülketten stabilere Netzwerke bilden.

In Experimenten konnte die Gruppe das Hydrogel trainieren: Sie belasteten das Material bis zu einer bestimmten Zuggrenze und entspannten es dann wieder. Da sich das Hydrogel währenddessen in einer Lösung aus den beiden Monomeren befand, regenerierte sich die chemische Struktur, nachdem sie belastet wurde. Und sie verstärkte sich. Das berichtete die Gruppe im Fachjournal Science.[1]T. Matsuda et al, „Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training“, Science 2019 (363:6426) 504–508. DOI: 10.1126/science.aau9533

Das Team um Professor Tasuku Nakajima und Jian Ping Gong demonstrierten dieses Prinzip in einem Video:

Den Muskeln abgeschaut

Diese Art der Selbstreparatur nach einer Belastung hat sich das Team von der Natur abgeschaut: Muskeln wachsen nämlich auf ganz ähnliche Weise, wenn sie bei einem Training belastet werden. Einzelne Muskelfasern reißen durch die Beanspruchung und werden anschließend in der Regenerationsphase repariert und verstärkt. Die Gruppe sieht in dem Material vielfältige Anwendungen, etwa in der Robotik.

Training für einen Kunststoff: Zu Beginn des Experiments ist das Hydrogel nicht stark genug, ein Gewicht zu anzuheben. Das ändert sich jedoch mit dem nächsten Durchläufen. Bild: Tasuku Nakajima / Hokkaido University

Bis aus dem Hydrogel ein künstlicher, selbstheilender und trainierbarer Muskel wird, müssen aber noch eine Fragen geklärt werden. Es gibt zum Beispiel noch keine Idee, wie das Hydrogel beständig mit „Nährlösung“ aus Monomeren versorgt werden kann. Im Experiment war der Monomer-Nachschub nach fünf bis sechs Dehnungen nämlich erschöpft. Dann wurde das Material schließlich steif und spröde. Außerdem ist das Material wegen der Radikalreaktion empfindlich gegenüber Sauerstoff.

Quellen   [ + ]

1. T. Matsuda et al, „Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training“, Science 2019 (363:6426) 504–508. DOI: 10.1126/science.aau9533