- Neuartiges Hydrogel kann nach Nahinfrarot-Bestrahlung chemische Reaktion vier Wochen lang fortsetzen.
- Forschung inspiriert von Verformungsfähigkeit von Organismen wie Mimose und Chamäleon.
- STERS-System kombiniert Flüssigmetallpartikel mit Vinylmonomeren zur Reaktionssteuerung.
- Klinische Anwendung steht vor Herausforderungen wie Gewebematching und externer Steuerung.
Ein von chinesischen Forschenden entwickeltes neuartiges, sich verformendes Hydrogel kann nach einmaliger Bestrahlung mit nahinfrarotem Licht eine chemische Reaktion auslösen, die bis zu vier Wochen anhält. Das Team schuf das Material, um langsame biologische Veränderungsprozesse nachzuahmen, darunter Wundheilung und Embryonalentwicklung. Das System trägt den Namen STERS und verwendet galliumbasierte Flüssigmetallpartikel, um die Reaktion zu unterstützen und die Form des Gels allmählich zu verändern, was eine potenzielle Plattform für adaptive Gewebegerüste, Gehirn-Maschine-Schnittstellen und weiche Robotik bietet. Die Studie umfasst Labordemonstrationen an Stammzellen und Elektroden zur Überwachung elektrischer Signale während der Embryonalentwicklung von Ratten.
Studienautor Du Xuemin, Professor am Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte, seine Forschung zu intelligenten Materialien sei von Organismen wie der Mimose und Chamäleons inspiriert. Er wies darauf hin, dass die Fortschritte bei verformbaren Materialien rasant seien, wobei bestimmte Veränderungen nun in Millisekunden ablaufen könnten. Langsamere biologische Prozesse stellten jedoch eine andere Herausforderung dar. Er sagte: „Ich wurde mir bewusst, dass Organismen sich zwar schnell verformen, aber auch langsame, langfristige evolutionäre Transformationen durchlaufen“, und nannte Prozesse wie Wundheilung und Embryonalentwicklung. Gewebetechnische Gerüste tragen üblicherweise Wirkstoffe, um die Heilung zu unterstützen. Du merkte an, dass bestehende Materialien sich entweder zu schnell veränderten oder sich gar nicht verformen ließen.
Nachahmung natürlicher Verformungsprozesse
Er sagte: „Daher wollte ich wissen, ob sich diese langsameren morphologischen Veränderungsprozesse in der Natur nachahmen lassen, um langsam verformbare Materialien zu schaffen.“
STERS steht für Spatiotemporal Evolution Reaction Species. Das System kombiniert galliumbasierte Flüssigmetallpartikel mit Vinylmonomeren, was die Erzeugung von Reaktanten und die Polymerisation des Hydrogels vorantreibt. Nahinfrarotes Licht startet den Prozess, wobei das Flüssigmetall durch wiederholte Oberflächenoxidation und Entfernung der Oxidschicht kontinuierlich Reaktanten erzeugt. Nach Entfernung der Schicht ist das Metall erneut freigelegt, was die Fortsetzung der Reaktion ermöglicht. Dies liefert die chemische Aktivität, die für die zeitliche Entwicklung der Hydrogelstruktur erforderlich ist. Das Forschungsteam erklärte in seiner Publikation: „Dieser neuartige Ansatz ermöglicht eine programmierbare, menschenähnliche morphologische Evolution von Hydrogelen, die Maßstäbe von mikroskopisch bis makroskopisch, Zeiträume von Minuten bis Wochen und Einzel- bis Mehrfach-Transformationszyklen abdeckt.“
Potenzielle klinische Anwendungen und Herausforderungen
Die Forschenden schufen zudem ein Hydrogel, das sich allmählich verfärbt, was sein Potenzial als langfristiger visueller Indikator zeigt. Das Team nutzte das Hydrogel, um Stammzellen in Knochenzellen und nervenähnliche Zellen zu differenzieren. „Darüber hinaus modifizierten wir mit diesem Material die Oberfläche von Gehirn-Maschine-Schnittstellen-Elektroden, um die Entwicklung elektrischer Signale während der Embryonalentwicklung von Ratten zu überwachen“, sagte Du. Laut den Forschenden lassen sich Geschwindigkeit und Ausmaß der Materialveränderung anpassen, um den Veränderungen im sich entwickelnden Embryonalgehirn zu entsprechen. Da Flüssigmetall Gewebe schädigen kann, bleiben Biosicherheitsfragen ein Anliegen. Du wies darauf hin, dass das Team eine Sandwichstruktur verwendet, um das Material einzukapseln und ein Austreten in umliegendes Gewebe zu verhindern.
Die klinische Anwendung steht weiterhin vor mehreren Herausforderungen, darunter die Anpassung der Transformation an spezifisches Gewebe, die Realisierung langsamer Formveränderungen sowie die Steuerung des Prozesses durch externe Reize. Derzeit, so Du, eigne sich das System für Sensorik sowie Labordemonstrationen in der Gewebetechnik und bei Gehirn-Maschine-Schnittstellen. Die Studie wurde im Journal „Matter“ veröffentlicht.
Auswirkungen der Hydrogel-Technologie auf die Biomedizin
Diese Studie demonstriert das Potenzial von Hydrogelen bei der Simulation biologischer Prozesse, insbesondere in der Wundheilung und Embryonalentwicklung. Durch die Nachahmung natürlicher Verformungsprozesse entwickelten Forschende Materialien mit einstellbarer Veränderungsgeschwindigkeit, was für Anwendungen in der Gewebetechnik und bei Gehirn-Maschine-Schnittstellen von Bedeutung ist. Allerdings müssen die Biosicherheitsfragen des Flüssigmetalls noch gelöst werden, was die Machbarkeit klinischer Anwendungen beeinflussen könnte. Der technologische Fortschritt wird künftig der Entwicklung intelligenterer medizinischer Materialien zugutekommen.