«Supermaterial» mit programmierter Aushärtung

Linköping / Okayama – Inspiriert vom Wachstum menschlicher und tierischer Knochen haben Forscher der Universitäten Linköping und Okayama eine Kombination von Materialien entwickelt, die sich vor dem Aushärten in verschiedene Formen verwandeln können. Es ist zunächst weich, härtet aber später nach dem gleichen Mechanismus aus, nach dem aus der Fontanelle, dem weichen Bindegewebe, das bei Neugeborenen einen Teil des Schädels bildet, mit der Zeit ein harter Knochen entsteht.

Auch zur Heilung von Brüchen
«Wir wollen dies für Anwendungen nutzen, bei denen Materialien zu unterschiedlichen Zeitpunkten verschiedene Eigenschaften aufweisen müssen», sagt Edwin Jager, Assistenzprofessor der Universität Linköping. Dieses Material könne etwa bei komplizierten Knochenbrüchen eingesetzt oder für Mikroroboter genutzt werden. In der ursprünglich weichen Form liesse es sich mithilfe einer Spritze in den Körper injizieren, würde sich dann entfalten und zu einem festen Roboter werden, der bestimmte Aufgaben erfüllen kann.

Die Idee entstand während eines Forschungsaufenthalts Jagers in Japan, als er Hiroshi Kamioka und Emilio Hara traf. Sie hatten eine Art Biomolekül entdeckt, das das Knochenwachstum in kurzer Zeit stimulieren konnte. Dieses Biomolekül kombinierten sie mit den materialwissenschaftlichen Kenntnissen von Jager und entwickelten das Material mit variabler Steifigkeit, aus dem ein Mikroroboter entstand.

Start mit einem Gel aus Braunalgen
Ausgangsmaterial war das Gel Alginat, das aus Braunalgen gewonnen wird. Auf einer Seite des Gels haben die Forscher ein Polymermaterial angesiedelt, das elektroaktiv ist und sein Volumen ändert, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Dadurch verbiegt es sich. Auf der anderen Seite des Gels befestigten die Forscher Biomoleküle, die das weiche Gel aushärten lassen. Diese Biomoleküle werden aus der Zellmembran einer für die Knochenentwicklung wichtigen Zellart gewonnen.

Wird das Material in ein Zellkulturmedium eingetaucht, eine Umgebung, die dem Körper ähnelt und Kalzium sowie Phosphor enthält, lassen die Biomoleküle das Gel mineralisieren und verhärten wie Knochen. Bei komplizierten Brüchen lässt sich das Material in die Hohlräume spritzen, wo es unter dem Einfluss eines leichten elektrischen Stroms aushärtet. Versuchsweise haben die Experten das Material dazu gebracht, sich um einen Hühnerknochen zu wickeln und diesen zu stabilisieren. (pte/mc/ps)

Universität Linköping
Universität Okayama
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