Von künstlichen Organen bis zu Hochleistungsbatterien Dehnbares, biokompatibles 3D-Druckmaterial könnte künstliche Organfertigung erleichtern

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Ein Forschungsteam der University of Virginia hat ein neues 3D-Druckmaterial entwickelt, das mit dem Immunsystem des menschlichen Körpers kompatibel ist. Das Polyethylenglykol könnte zukünftig zur Herstellung von synthetischen menschlichen Organen verwendet werden.

Unter der Leitung von Liheng Cai, assoziierter Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Chemieingenieurwesen, ist es Forschern des Soft Biomatter Laboratory der University of Virginia gelungen, die Eigenschaften von Polyethylenglykol (PEG) so zu verändern, dass dehnbare Netzwerke entstehen. PEG wird bereits in vielen biomedizinischen Technologien wie der Gewebezüchtung eingesetzt. Die derzeit übliche Herstellung von PEG-Netzwerken – in Wasser durch Quervernetzung linearer PEG-Polymere, wobei das Wasser anschließend entfernt wird – hinterlässt eine spröde, kristallisierte Struktur, die sich nicht dehnen lässt, ohne ihre strukturelle Integrität zu verlieren. Elastizität ist jedoch entscheidend, denn sie ermöglicht den Einsatz von PEG-Netzwerken in größeren Strukturen oder in Strukturen, die eine gewisse Flexibilität und Bewegung erfordern, wie die Gerüste, die eines Tages für synthetische menschliche Organe benötigt werden.

Dehnbarkeit steckt im faltbaren Design

Um diese Dehnbarkeit zu erreichen, knüpfte das Team an bestehende Arbeiten zur Herstellung starker, synthetischer Polymere aus Cais Labor an. Der Ansatz orientiert sich an Methoden zur Herstellung dehnbarer, starker Gummis: Länge wird in inneren Strukturen auf molekularer Ebene gespeichert.

Diese inneren Strukturen, die so genannte „faltbare Flaschenbürsten“-Architektur, ermöglichen ein Material, das zugleich sehr stark und sehr dehnbar ist. Die Polymermoleküle besitzen zahlreiche flexible Seitenketten, die von einem zentralen Rückgrat abzweigen und sich wie eine Ziehharmonika zusammenfalten können – dabei wird zusätzliche Länge gespeichert, die wieder entfaltet werden kann.

Um das neue Material herzustellen, übertrug Baiqiang Huang, Doktorand an der School of Engineering and Applied Science sowie Erstautor des in der Zeitschrift Advanced Materials erschienen Artikels, das Konzept des faltbaren Flaschenbürstenpolymers auf PEG. Er setzte die Vorläufermischung für einige Sekunden ultraviolettem Licht aus, was eine Polymerisation zur Bildung eines Netzwerks mit Flaschenbürstenarchitektur auslöst. Das Ergebnis waren 3D-druckbare, hoch dehnbare PEG-basierte Hydrogele und lösungsmittelfreie Elastomere.

„Wir können die Form des UV-Lichts variieren, um sehr viele komplexe Strukturen zu erzeugen“, sagt Huang. Darunter solche, die entweder weich oder steif sind, aber dennoch dehnbar bleiben. Das Materilal ist außerdem biologisch verträglich. Um dies zu testen, kultivierten die Forscher Zellen zusammen mit den PEG-Materialien. Dank ihrer Gestaltungsfreiheit und Biokompatibilität könnten die dehnbaren, 3D-druckbaren PEG-Materialien in der Zukunft neue Verfahren für die Herstellung künstlicher Organe oder die Verabreichung von Arzneimitteln ermöglichen.

Zukünftige Anwendungen

In zukünftigen Anwendungen könnte es zudem möglich sein, PEG mit anderen Materialien zu kombinieren und so 3D-druckbare Werkstoffe mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu erzeugen.

Im Vergleich zu bestehenden Materialien für Festkörper-Polymerelektrolyte weisen die neuen Materialien bei Raumtemperatur eine höhere elektrische Leitfähigkeit sowie eine deutlich größere Dehnbarkeit auf. „Diese Eigenschaft macht das neue Material zu einem vielversprechenden Hochleistungs-Festkörperelektrolyten für fortgeschrittene Batterietechnologien“, sagt Cai. „Unser Team untersucht weiterhin potenzielle Entwicklungen der Forschung im Bereich Festkörperbatterietechnologien.“

Literatur:

Der Artikel „Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers“ wurde am 29. Oktober in Advanced Materials veröffentlicht.

Zu den weiteren Autoren gehören Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro und Daniel A. Rau vom Fachbereich Ingenieurwesen der UVA. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, dem UVA Launchpad for Diabetes und dem Commonwealth Commercialization Fund der Virginia Innovation Partnership Corporation gefördert.

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