Materialwissenschaft : Extrem elastisches Hydrogel entwickelt

Ein neuer Kunststoff ist so belastbar, dass er künftig sogar Knorpel - etwa im Kniegelenk - ersetzen kann. Er kombiniert Netzwerke mit starken und schwachen, chemischen Verbindungen, die sich gegenseitig ergänzen und selbst heilen können.

Belastbar. Das neue Hydrogel kann man um das 20fache dehnen, ohne dass es reißt. Selbst einen Einschnitt (rechts) hält es aus.
Belastbar. Das neue Hydrogel kann man um das 20fache dehnen, ohne dass es reißt. Selbst einen Einschnitt (rechts) hält es aus.Foto: Jeong-Yun Sun

Hydrogele kennt jeder, der weiche Kontaktlinsen trägt. Ihre mechanische Belastbarkeit ist allerdings gering, da sie zu 90 Prozent aus Wasser bestehen. Durch die Verknüpfung zweier unterschiedlich fester Polymersorten, die sich gegenseitig verstärken, konnten amerikanische und koreanische Forscher nun ein extrem reißfestes Hydrogel erzeugen. Es kann bis zum Zwanzigfachen seiner Länge gedehnt werden und kehrt dann in seine Ausgangsform zurück, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature“. Außerdem ist es relativ einfach herzustellen.

„Tofu, Kontaktlinsen und Knorpelmasse sind allesamt Hydrogele. Kontaktlinsen sind zäher als Tofu, aber weniger fest als Knorpel“, sagt Zhigang Suo von der Universität Harvard. Das neue Gel ist besonders für Gewebeforscher interessant, denn robuste Hydrogele könnten in der Medizin als Ersatz oder Verstärkung von beschädigten Knorpeln dienen. „Beschädigte Knorpel können heute noch nicht ersetzt werden“, sagt Suo. „Stattdessen bekommt man ein Knie aus Metall.“

Hydrogele sind Lösungen von Polymeren in Wasser, wobei die Molekülketten der Polymere miteinander vernetzt sind, so dass das Material eine gewisse Stabilität erhält. Trotzdem bekommen sie leicht Risse und werden heute dort eingesetzt, wo keine bedeutenden Kräfte auftreten.

Das neue Hydrogel ist gegenüber solchen Beschädigungen extrem resistent, denn es besteht aus einer besonderen Kombination von Alginat und Polyacrylamid. So kommt es zum Zusammenspiel zweier Mechanismen: Das erste Netzwerk besitzt starke, kovalente Bindungen und ist mit einem zweiten Netzwerk verbunden, das ionische, kalziumbasierte Verbindungen eingeht. Sie können sich wie ein Reißverschluss auftrennen und wieder zusammenfügen, heilen also quasi von selbst. Gleichzeitig verteilen sie auftretende Kräfte im Material, so dass die starken Bindungen des Polyacrylamids nicht punktuell aufreißen. wsa

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