Ein bahnbrechendes 3D-druckbares Polymer
Von künstlichen Organen bis zu modernen Batterien
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Ein neuartiges 3D-druckbares Material, das sich mit dem körpereigenen Immunsystem verträgt und von einem Forschungsteam der University of Virginia entwickelt wurde, könnte zu einer sichereren Medizintechnik für Organtransplantationen und Arzneimittelverabreichungssysteme führen. Auch die Batterietechnologie könnte dadurch verbessert werden.
Die faltbaren Bottlebrush-Polymere von Liheng Cai ermöglichen eine Vielzahl von Materialstrukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die Anwendungen von der Organtransplantation bis zur Batterietechnologie ermöglichen könnten.
Liheng Cai/Softbiomatter Lab/University of Virginia
Der Durchbruch ist Gegenstand eines neuen Artikels in der Zeitschrift Advanced Materials, der auf Arbeiten des Soft Biomatter Laboratory der University of Virginia unter der Leitung von Liheng Cai, einem außerordentlichen Professor für Materialwissenschaft und -technik und Chemieingenieurwesen, beruht.
Der Erstautor der Arbeit ist Baiqiang Huang, Doktorand an der School of Engineering and Applied Science.
Ihre Forschung zeigt einen Weg auf, die Eigenschaften von Polyethylenglykol zu verändern, um dehnbare Netzwerke herzustellen. PEG ist ein Material, das bereits in vielen biomedizinischen Technologien wie z. B. der Gewebezüchtung eingesetzt wird. Die derzeitige Art der Herstellung von PEG-Netzwerken - in Wasser durch Vernetzung linearer PEG-Polymere, denen anschließend das Wasser entzogen wird - hinterlässt jedoch eine spröde, kristallisierte Struktur, die sich nicht dehnen lässt, ohne ihre Integrität zu verlieren.
Der Durchbruch bei der Elastizität ist ein wichtiges Merkmal, denn die Dehnbarkeit würde die Verwendung von PEG-Netzen in größeren Strukturen oder in Strukturen ermöglichen, die eine gewisse Flexibilität und Bewegung erfordern, wie z. B. das Gerüst, das eines Tages für synthetische menschliche Organe benötigt wird.
Die Dehnbarkeit liegt im faltbaren Design
Um diese Dehnbarkeit zu erreichen, baute das Team auf der Arbeit von Cais Labor auf, das bereits eine Methode zur Herstellung sehr starker synthetischer Polymere entwickelt hatte. Der Ansatz lehnt sich an die Methoden an, die zur Herstellung von dehnbarem, starkem Gummi verwendet werden: Die Länge wird in internen Strukturen auf molekularer Ebene gespeichert.
Diese internen Strukturen, die als "faltbare Flaschenbürste" bezeichnet werden, sorgen für ein Material, das sowohl sehr stark als auch sehr dehnbar sein kann. Die Polymermoleküle haben viele flexible Seitenketten, die von einem zentralen Rückgrat ausgehen, das sich wie eine Ziehharmonika zusammenfalten lässt - und so zusätzliche Länge speichert, die entfaltet werden kann.
"Unsere Gruppe entdeckte dieses Polymer und nutzte diese Architektur, um zu zeigen, dass alle Materialien, die auf diese Weise hergestellt werden, sehr dehnbar sind." sagte Cai.
Um das in Advanced Materials beschriebene neue Material herzustellen, wandte Huang das Konzept des faltbaren Bottlebrush-Polymers auf PEG an. Er bestrahlte die Vorläufermischung einige Sekunden lang mit ultraviolettem Licht, wodurch die Polymerisation eingeleitet wurde, um ein Netzwerk mit Bottlebrush-Architektur zu bilden. Das Ergebnis sind 3D-druckbare, hoch dehnbare Hydrogele auf PEG-Basis und lösungsmittelfreie Elastomere.
"Wir können die Form der UV-Lichter verändern, um so viele komplizierte Strukturen zu schaffen", sagte Huang, darunter auch Strukturen, die entweder weich oder steif sind, aber durch ihr Design dehnbar bleiben. Diese Art von Vielseitigkeit im Design könnte eines Tages die Entwicklung neuer Techniken zur Herstellung künstlicher Organe oder zur Verabreichung von Medikamenten ermöglichen.
Die Arbeit zeigt auch, dass die dehnbaren 3D-druckbaren PEG-Materialien biologisch verträglich sind. Die Forscher kultivierten Zellen zusammen mit den Materialien, um sicherzustellen, dass sie Seite an Seite leben können, und sie waren kompatibel, so Huang. Dies ist eine gute Nachricht für die potenzielle Verwendung von Materialien, die im Körper eingesetzt werden, z. B. als Gerüst für ein Organ.
Künftige Anwendungen
In einer zukünftigen Anwendung könnte es auch möglich sein, PEG mit anderen Materialien zu kombinieren, um 3D-druckbare Materialien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu schaffen, was die Tür zu vielen möglichen Anwendungen öffnet.
Im Vergleich zu bestehenden Materialien für polymere Festkörperelektrolyte weisen die neuen Materialien beispielsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine viel höhere Dehnbarkeit bei Raumtemperatur auf.
"Diese Eigenschaft macht das neue Material zu einem vielversprechenden Hochleistungs-Festkörperelektrolyten für fortschrittliche Batterietechnologien", so Cai. "Unser Team erforscht weiterhin mögliche Erweiterungen der Forschung in Festkörperbatterietechnologien."
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