Polymere mit Chamäleon-Effekt
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Implantate kommen immer dann zum Einsatz, wenn verlorene Körperteile oder -funktionen zu ersetzen sind. Dieser Versuch hinkt in der Regel, denn kein Forscher ist bislang in der Lage, in diesem Punkt Mutter Natur eins zu eins zu kopieren. Allerdings kommen Wissenschaftler immer wieder auch mit Erfindungen um die Ecke, die einen Stauen manchen. Zum Beispiel jener eines synthetischen Polymers, dessen Eigenschaftsprofil dem von biologischen Gewebe sehr ähnelt und das unter Bewegung wie ein Chamäleon die Farbe wechselt – und das Experten über interessante neue Anwendungen spekulieren lässt.
Biologische Gewebe besitzen komplexe mechanische Eigenschaften. Sie können weich und gleichzeitig stark sein, zäh und dennoch flexibel. Das Eigenschaftsprofil natürlicher Materialien lässt sich mit entsprechenden Kreationen aus dem Labor vielleicht annähernd realisieren, in der Regel aber kaum naturgetreu nachbauen. Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es nun aber gelungen ein biokompatibles Material herzustellen, das die Mechanik von natürlichem Gewebe nachahmt und seine Farbe Chamäleon-artig zu wechseln vermag, so es seine Form ändert. Von ihrer Entdeckung versprechen sich die Wissenschaftler die Entwicklung neuer biomedizinischer Geräte.
Molekülstruktur (l.) eines Plastomers (= Thermoplaste; Kunststoffe, die sich bei bestimmten Temperaturen verformen lassen) R.: Struktur eines Moleküls, hergestellt durch die Verbindung identischer Plastomere. (Abb. M. Vatankhah-Varnosfaderani et al.)
Um ein medizinisches Implantat herzustellen, braucht es Materialien, deren mechanische Eigenschaften annährend vergleichbar sind mit jenen biologischen Geweben, in denen sie eingesetzt werden sollen, um Entzündungen oder Nekrosen zu verhindern. Eine Anzahl von Geweben, einschließlich der Haut, der Darmwand und des Herzmuskels, haben die Besonderheit, weich zu sein, wenn sie gestreckt werden. Bis jetzt war es unmöglich, dieses Verhalten mit synthetischen Materialien zu reproduzieren.
Die Forscher haben versucht, dies mit einem einzigartigen Polymerwerkstoff zu erreichen. Bei diesem Kunststoff handelt es sich um ein sogenanntes Blockcopolymer bestehend aus drei unterschiedliche Monomeren. Sie synthetisierten ein physikalisch vernetztes Elastomer, das aus einem zentralen Block besteht, auf den Seitenketten (wie eine Flaschenbürste) aufgepfropft sind und an deren Ende sich lineare Anschlussblöcken befinden. Wie die Wissenschaftler herausgefunden haben, besitzt das Material bei sorgfältiger Auswahl der strukturellen Polymerparameter die gleiche Dehnungseigenschaft wie ein biologisches Gewebe, in diesem Fall wie Schweinehaut. Obendrein sei es biokompatibel, da es keine Zusätze, etwa Lösungsmittel, enthält und auch in Gegenwart von biologischen Flüssigkeiten stabil bleibt.
Die Fähigkeit von Chamäleons, die Farbe ihrer Haut zu wechseln, fasziniert seit jeher die Wissenschaft. (Abb. Stock / Sensor Spot)
Eine andere Eigenschaft zeigte das Material in der Experimentierphase: Wurde es verformt, veränderte es seine Farbe. Laut den Wissenschaftlern lässt sich der Farbwechsel dem physikalischen Phänomen der Lichtstreuung zuschreiben, die von der Polymerstruktur verursacht wird. Mittels verschiedener spektroskopischer Analysenverfahren ließ sich zeigen, dass sich die endständigen Blöcke der Copolymere in nanometerkleinen kugeligen Gebilden in einer Bürsten-Polymer-Matrix verteilt ansammeln. Auftreffendes Licht tritt mit dieser mikrophasenseparierten Struktur in Wechselwirkung und erzeugt, entsprechend dem Abstand zwischen den Kugeln, unterschiedliche Farben. Wird das Material gedehnt, ändert sich die Farbe. Dieser Mechanismus ist ansatzweise der, mit dem Chamäleons die Farbe ändern.
Den Forschern ist es damit gelungen, sowohl die mechanischen Eigenschaften, also die Flexibilität und das Dehnungsprofil, als auch die optischen Eigenschaften, die bisher nicht erreicht wurden, in einem einzigartigen synthetischen Polymer mit Hilfe von miteinander zu Blockcopolymeren verbundenen Monomere regelrecht zu codieren. Durch Einstellen der Länge oder Dichte der verschiedenen Seitenketten des "Pinsels" lassen sich die Eigenschaften modulieren. Diese Entdeckung, sind die Wissenschaftler überzeugt, könnte zur Entwicklung neuartiger medizinische Implantate oder individuellerer Prothesen wie Gefäßimplantaten, Intraokularimplantaten oder künstlichen Bandscheiben führen, aber auch zu Materialien mit völlig neuen Belastungsprofilen für bisher nicht beschriebene Anwendungen.
Referenz
Chameleon-like elastomers with molecularly encoded strain-adaptive stiffening and coloration. M. Vatankhah-Varnosfaderani, A.N. Keith, Y. Cong, H. Liang, M. Rosenthal, M. Sztucki, C. Clair, S. Magonov, D.A. Ivanov, A.V. Dobrynin, S.S. Sheiko. Science, 30 March 2018. DOI : 10.1126/science.aar5308