22.04.2020 - The Johns Hopkins University

Unter Druck: Neues bioinspiriertes Material kann sich durch äußere Kräfte 'formen'

Selbstanpassendes Material, das seine Steifigkeit verändern kann

Inspiriert durch die Art und Weise, wie menschliche Knochen und farbige Korallenriffe Mineralablagerungen als Reaktion auf die sie umgebende Umwelt anpassen, haben Forscher von Johns Hopkins ein sich selbst anpassendes Material geschaffen, das seine Steifigkeit als Reaktion auf die angewandte Kraft verändern kann. Dieser Fortschritt kann eines Tages die Türen für Materialien öffnen, die sich selbst verstärken können, um sich auf eine erhöhte Kraft vorzubereiten oder weitere Schäden zu verhindern. Ein Bericht über die Ergebnisse wurde heute in Advanced Materials veröffentlicht.

"Stellen Sie sich ein Knochenimplantat oder eine Brücke vor, die sich selbst verstärken kann, wenn eine hohe Kraft ohne Inspektion und Wartung ausgeübt wird. Sie ermöglicht sicherere Implantate und Brücken mit minimalen Komplikationen, Kosten und Ausfallzeiten", sagt Sung Hoon Kang, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau, Hopkins Extreme Materials Institute und Institut für NanoBiotechnologie an der Johns Hopkins University und Seniorautor der Studie.

Während andere Forscher schon früher versucht haben, ähnliche synthetische Materialien herzustellen, war dies eine Herausforderung, da solche Materialien schwierig und teuer herzustellen sind oder bei ihrer Herstellung aktive Wartung erfordern und nur begrenzt belastbar sind. Materialien mit anpassungsfähigen Eigenschaften, wie die von Holz und Knochen, können sicherere Strukturen schaffen, Geld und Ressourcen sparen und schädliche Umwelteinflüsse reduzieren.

Natürliche Materialien können sich selbst regulieren, indem sie Ressourcen in der Umgebung nutzen; so nutzen Knochen beispielsweise Zellsignale, um die Zugabe oder Entnahme von Mineralien aus dem sie umgebenden Blut zu steuern. Inspiriert von diesen natürlichen Materialien versuchten Kang und Kollegen, ein Materialsystem zu schaffen, das als Reaktion auf angewandten Stress Mineralien hinzufügen kann.

Das Team begann mit der Verwendung von Materialien, die mechanische Kräfte in elektrische Ladungen umwandeln können, als Gerüste oder Stützstrukturen, die Ladungen erzeugen können, die proportional zur auf sie einwirkenden äußeren Kraft sind. Das Team hoffte, dass diese Ladungen den Materialien als Signale für den Beginn der Mineralisierung durch Mineralionen in der Umgebung dienen könnten.

Kang und Kollegen tauchten Polymerfilme dieser Materialien in eine simulierte Körperflüssigkeit ein, die ionische Konzentrationen von menschlichem Blutplasma nachahmt. Nachdem die Materialien in der simulierten Körperflüssigkeit inkubiert worden waren, begannen sich auf den Oberflächen Mineralien zu bilden. Das Team entdeckte auch, dass sie die Art der gebildeten Mineralien kontrollieren konnten, indem sie die Ionenzusammensetzung der Flüssigkeit kontrollierten.

Das Team stellte dann einen Balken auf, der an einem Ende verankert wurde, um die Spannung von einem Ende der Materialien zum anderen allmählich zu erhöhen, und stellte fest, dass Regionen mit mehr Spannung mehr Mineralanhäufungen aufwiesen; die Mineralhöhe war proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung.

Ihre Methoden, so die Forscher, seien einfach, kostengünstig und benötigten keine zusätzliche Energie.

"Unsere Erkenntnisse können den Weg für eine neue Klasse von selbstregenerierenden Materialien ebnen, die beschädigte Bereiche selbst verstärken können", sagt Kang. Kang hofft, dass diese Materialien eines Tages als Gerüste zur Beschleunigung der Behandlung von Knochenerkrankungen oder -brüchen, als intelligente Harze für Zahnbehandlungen oder ähnliche Anwendungen eingesetzt werden können.

Darüber hinaus tragen diese Erkenntnisse zum Verständnis der Wissenschaftler von dynamischen Materialien und der Funktionsweise der Mineralisierung bei, was Licht auf ideale Umgebungen werfen könnte, die für die Knochenregeneration benötigt werden.

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