Forscher entwickeln stärkere, flexiblere Hydrogele für künstliche Sehnen

Forscher der Samueli School of Engineering der University of California Los Angeles haben ein neues, zweistufiges Verfahren entwickelt, um die Festigkeit von Hydrogelen zu erhöhen, die für die Herstellung künstlicher Sehnen, Bänder und Knorpel verwendet werden könnten.

Hydrogele sind vielversprechend für biomedizinische Anwendungen wie Ersatzgewebe und in weichen Robotern und tragbarer Elektronik. Allerdings sind die derzeitigen synthetischen Hydrogele noch nicht stark oder haltbar genug, um Gewebe, das sich unter hoher Belastung steht, zu ersetzen.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die UCLA-Forscher einen zweistufigen Prozess, der molekulares und strukturelles Engineering kombiniert, um Hydrogele mit einer zehnmal höheren Festigkeit als natürliches Gewebe herzustellen. Für die Herstellung ihres Hydrogel-Prototyps wählten sie ein FDA-zugelassenes Polyvinylalkohol-Material.

Zunächst setzten sie den Verfestigungsprozess Freeze-Casting ein, dadurch werden poröse und konzentrierte Polymere erzeugt, vergleichbar mit einem Schwamm. Anschließend wendeten sie eine Aussalzungsbehandlung an, um die Polymerketten zu starken Fibrillen zu kristallisieren. Die Kombination dieser beiden Prozesse bildet eine Reihe von Verbindungsstrukturen von der Molekül- bis zur Millimeterebene innerhalb der Hydrogele, was sie stärker und dehnbarer macht.

Um die Haltbarkeit der neuen Hydrogele zu testen, führten die Forscher 30.000 Dehnungszyklen durch, während derer das Material keine Anzeichen einer Verschlechterung aufwies.

Während ihrer Studie erzielte das UCLA-Team neue Hydrogel-Strukturen mit nicht nur verbesserter Festigkeit, sondern auch größerer Flexibilität. Sie glauben, dass dies den 3D-Druck von Hydrogelen in Konfigurationen ermöglichen könnte, die bisher unerreichbar waren.

Die Forscher zeigten auch, dass solche 3D-gedruckten Strukturen potenziell in verschiedene Formen umgewandelt werden können, indem Aspekte wie Temperatur, Säuregehalt oder Feuchtigkeit verändert werden. Auf diese Weise könnten die Hydrogele als künstliche Muskeln fungieren, die in der Lage sind, erhebliche Kraft auszuüben und eine hohe Elastizität aufzuweisen.

Weitere Details der Studie können in der wissenschaftlichen Arbeit “Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out“, welche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, nachgelesen werden.