23.01.2023 - Hokkaido University

Tintenfischgewebe und Chemie verbinden sich zu vielseitigen Hydrogelen

Die natürlichen Fähigkeiten des Tintenfischgewebes und die Kreativität der Chemiker führen die Hydrogelforschung in neue Richtungen

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 von biologischem Gewebe nachahmt. Hydrogele sind Polymernetzwerke, die große Mengen an Wasser enthalten und für zahlreiche Anwendungen erforscht werden, darunter medizinische Prothetik, weiche Roboterkomponenten und neuartige Sensorsysteme.

Das Team aus Hokkaido berichtet in der Zeitschrift NPG Asia Materials über seinen Beitrag zu diesem sich schnell entwickelnden Forschungsgebiet.

Natürliche biologische Gewebe weisen einzigartige Eigenschaften auf, die für ihre Funktionen unerlässlich sind und die die Forscher in Hydrogelen nachbilden wollen. Muskeln zum Beispiel haben neben Stärke und Flexibilität physikalische Eigenschaften, die in verschiedene Richtungen variieren und aus einer Hierarchie von zusammenwirkenden Strukturen aufgebaut sind. Auch Knochen und Blutgefäße weisen diese Merkmale auf, die als hierarchische Anisotropie bezeichnet werden.

Im Gegensatz zu den natürlichen Geweben, die die Forscher nachahmen wollen, haben die meisten synthetischen Hydrogele einheitliche Eigenschaften in allen 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-Universität.

Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem im Handel erhältlichen gefrorenen Tintenfischmantel - dem wichtigsten äußeren Teil des Tintenfisches. 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 machten sich die molekularen Anordnungen in diesem natürlichen System zunutze, um ihr biologisch nachahmendes Gel herzustellen.

Durch chemische und thermische Behandlung dünner Scheiben des aufgetauten Tintenfischgewebes, gemischt mit Polyacrylamid-Polymermolekülen, wurde die Bildung des vernetzten Hybrid-Hydrogels eingeleitet. Es weist eine so genannte Doppelnetzwerkstruktur auf, bei der das synthetische Polymernetzwerk in das natürlichere Muskelfasernetzwerk aus dem Tintenfischmantel eingebettet und verbunden ist.

"Das DN-Gel, das wir synthetisiert haben, ist viel stärker und elastischer als der natürliche Tintenfischmantel", erklärt Professor Jian Ping Gong, der das Team leitete. "Die einzigartige Kompositstruktur macht das Material außerdem beeindruckend bruchfest, es ist viermal zäher als das Originalmaterial."

Der aktuelle Machbarkeitsnachweis sollte nur der Anfang für die Erforschung vieler anderer hybrider Hydrogele sein, die sich die einzigartigen Eigenschaften anderer natürlicher Systeme zunutze machen könnten. Quallen wurden bereits als Materialquelle für einfachere Hydrogele mit einem Netz verwendet und sind daher eine naheliegende Wahl für die Erforschung hybrider Optionen mit zwei Netzen.

"Zu den möglichen Anwendungen gehören belastbare künstliche Fasergewebe wie künstliche Bänder und Sehnen für medizinische Zwecke", sagt Gong. In weiteren Arbeiten wird das Team die Biokompatibilität der Gele erforschen und Möglichkeiten zur Herstellung einer Reihe von Gelen für unterschiedliche Anwendungen untersuchen.

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