Einem Team von Forschenden der Universität Bayreuth und der Aalto-Universität Finnland ist es erstmals gelungen, ein Hydrogel mit einer einzigartigen Struktur zu entwickeln, das hohe Steifigkeit und zugleich die Selbstheilungsfähigkeit natürlicher Haut nachbildet. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen wie die gezielte Medikamentenfreisetzung, Wundheilung, Sensoren in der Soft-Robotik und künstliche Haut.
Gele begegnen uns im Alltag ständig – von weichen, klebrigen Substanzen wie Haargel bis hin zu gelartigen Bestandteilen in Lebensmitteln. Auch menschliche Haut weist gelartige Eigenschaften auf, besitzt jedoch einzigartige Qualitäten, die nur schwer nachzuahmen sind. Sie kombiniert hohe Festigkeit mit Flexibilität und beeindruckenden Selbstheilungskräften, sodass sie sich oft innerhalb von 24 Stunden nach einer Verletzung vollständig regeneriert.
Bisher konnten künstliche Gele entweder eine hohe Steifigkeit oder die Selbstheilungsfähigkeit natürlicher Haut nachbilden, aber nicht beides zugleich. In einer bahnbrechenden Studie fügten Forschende der Universität Bayreuth ultradünne spezielle Ton-Nanoschichten (Nanosheets) mit außergewöhnlich großen Durchmessern in Hydrogele ein, die normalerweise weich und elastisch sind.
Diese Nanosheets wurden von Prof. Dr. Josef Breu entwickelt und hergestellt. Das Ergebnis ist eine hochgeordnete Struktur mit dicht verschlauften Polymerketten zwischen den Nanosheets. Dies verbessert nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels, sondern ermöglicht weiterhin seine Selbstheilung.
Im Herstellungsverfahren mischte Chen Liang, Postdoktorand an der Aalto-Universität, ein Pulver aus Monomeren mit Wasser, das Nanosheets enthielt. Anschließend wurde die Mischung unter eine UV-Lampe gestellt und damit die einzelnen Moleküle miteinander verbunden, sodass ein elastischer Feststoff – ein Gel – entstand.
Auf molekularer Ebene sind die Polymerketten äußerst dynamisch und beweglich. Wird das Material durchtrennt, beginnen sich die Fäden erneut ineinander zu verschlaufen. Vier Stunden nach einem Schnitt mit einem Messer ist dieser daher bereits wieder zu 80 bis 90 Prozent verheilt. Nach 24 Stunden ist das Material in der Regel vollständig repariert.
Ein Hydrogelfilm mit einer Dicke von einem Millimeter enthält ca. 10.000 Lagen von Nanosheets. Dadurch ist das Material so steif wie menschliche Haut und besitzt trotzdem eine vergleichbare Dehnbarkeit und Flexibilität. Steife, starke und selbstheilende Hydrogele waren lange eine Herausforderung.
Der neue Mechanismus, um konventionell weiche Hydrogele zu verstärken, könnte die Entwicklung neuer Materialien mit bio-inspirierten Eigenschaften revolutionieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für gezielte Medikamentenfreisetzung, Wundheilung, Sensoren in der Soft-Robotik und künstliche Haut.