Intelligente Materialien fördern die Wundheilung
Magnetoaktive Polymere ändern ihre mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf ihre Umgebung. Diese Materialien, eine revolutionäre Entwicklung auf dem Gebiet der Festkörpermechanik und der Materialwissenschaft, bestehen aus einer Polymermatrix (einem Elastomer) mit winzigen magnetischen Partikeln, die je nach Magnetisierungszustand ihre Form und Größe verändern. „Die Grundidee besteht darin, dass ein äußeres Magnetfeld innere Kräfte in diesem Material so beeinflusst, dass sich mechanische Eigenschaften wie die Steifigkeit verändern oder sogar Form- und Volumenänderungen auftreten, die mit bestimmten zellulären Systemen interagieren können“, erklärt der Ingenieur Dr. Daniel Garcia-González von der Universität Carlos III in Madrid in einer Pressemitteilung auf „Explica.co“. Dr. Garcia-González ist der Erstautor einer Studie, in der ein Modell beschrieben wird, das als theoretischer Leitfaden für magnetoaktive Polymere verwendende Systeme dient, die zur Stimulierung der Heilung in epithelialen Wunden eingesetzt werden könnten. In der Studie analysierten die Forschenden, wie die Eigenschaften einer elastomeren Matrix und der Volumenanteil der Partikel die mechanische Reaktion von magnetoaktiven Polymeren beeinflussen. Die Forschungsergebnisse wurden im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 4D-BIOMAP in der Fachzeitschrift „Composites Part B: Engineering“ veröffentlicht.
Testen der Polymer-Reaktion
Das Forschungsteam führte Zugversuche an 16 verschiedenen Fertigungskonfigurationen des Materials durch und analysierte verschiedene Kombinationen von Partikelvolumenanteilen und Mischungsverhältnissen von Quervernetzungsmitteln (Molekülen, die Polymerketten verbinden), um zu sehen, wie sie auf Belastung reagierten. Die Ergebnisse zeigten einen direkten Zusammenhang zwischen Partikelvolumenanteil und Steifigkeit der magnetoaktiven Polymere. Eine Erhöhung des Volumenanteils der Partikel führte zu einer Erhöhung der Gesamtsteifigkeit für alle getesteten Mischungsverhältnisse. Das Mischungsverhältnis schien auch eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der mechanischen Reaktion des magnetoaktiven Polymers zu spielen. Die Pressemitteilung berichtet, dass die Steuerung dieser Prozesse den Weg zu neuen technischen Anwendungen ebnen kann, wie beispielsweise weicher Robotik oder einer neuen Generation künstlicher Muskeln. Dr. Garcia-González erklärt das Konzept in für Laien verständlicher Sprache: „Stellen Sie sich eine Person vor, die sich am Strand befindet und sich schnell bewegen möchte. Durch den Sand auf dem Boden (die mechanische Umgebung) ist es für sie etwas schwieriger, sich vorwärts zu bewegen, als wenn sie sich auf Asphalt oder auf einer Aschenbahn befände. Ähnlich verhält es sich, wenn sich eine Zelle auf einem zu weichen Untergrund befindet: Es kostet sie mehr, sich zu bewegen. Wenn wir hingegen in der Lage sind, diese Substrate anzupassen und eine solche Aschenbahn für die Zellen zu erzeugen, dann werden sich all diese Prozesse viel effizienter entwickeln.“ Durch die Steuerung der Produktionsbedingungen des Verbundwerkstoffs aus magnetoaktiven Polymeren können die Forschenden dem Material also die optimalen Eigenschaften verleihen, die es für eine bestimmte Anwendung benötigt. Das Team hat in dieser Hinsicht bereits großes Potenzial für die Unterstützung der epithelialen Wundheilung und anderer zellulärer Entwicklungsprozesse identifiziert. Das auf fünf Jahre angelegte Projekt 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers) begann im Januar 2021. „Die übergeordnete Idee dieses Projekts ist es, ... verschiedene biologische Prozesse auf zellulärer Ebene zu beeinflussen (beispielsweise Wundheilung, Gehirnsynapsen oder Reaktionen des Nervensystems), was die Entwicklung bestimmter technischer Anwendungen ermöglicht, mit denen wir sie steuern können“, erklärt Dr. Garcia-González, der das Projekt 4D-BIOMAP leitet. Weitere Informationen: 4D-BIOMAP-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
4D-BIOMAP, magnetoaktiv, Polymer, magnetoaktives Polymer, Elastomer, Matrix, Partikel, Volumenanteil
